Диссертация (1105407), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Значение эффективногокоэффициента нелинейного поглощения получилось равным β = 4 ± 0.5 см/МВт.Это значение по порядку величины совпадает с оцененным из метода I-сканиро-вания.3.3.2 Образец тонкой пленки гидрогенизированного аморфного кремнияДля сравнения были также проведены измерения z-сканирования для тонкойпленки гидрогенизированного аморфного кремния толщиной 130 ± 5 нм. Коэффициент пропускания пленки равен T0 = 42 ± 2%. Результаты z-сканированияпредставлены на рисунке 76. Как и для образца, была проведена аппроксимацияПолностью оптическое переключение лазерного излучения...130Рис. 75: Зависимость коэффициента пропускания образца (viii) от его положенияв пространстве относительно точки фокусировки лазерного луча.формулой (55) и получено, что значение нелинейного коэффициента поглощенияравно β = 0.04 ± 0.02 см/МВт.
Отметим, что порядок величины также совпадаетс полученным результатом для I-сканирования.Рис. 76: Зависимость коэффициента пропускания пленки гидрогенизированногоаморфного кремния от его положения в пространстве относительно точки фокусировки лазерного луча.Полностью оптическое переключение лазерного излучения...1313.3.3 Экспериментальные результаты спектроскопии эффекта самовоздействияметодом z-сканированияДля образца (viii) и пленки аморфного кремния были проведены измерения спектра коэффициента пропускания в зависимости от пространственного расположения образца относительно точки фокусировки лазерного луча.
В этом случае вустановке, показанной на рисунке 72, на месте фотодиода устанавливался спектрометр. Параметры лазерного импульса совпадают с теми, которые были использованы в эксперименте по безапертурному z-сканированию для пленки. Полученныеспектры были нормированы на спектр лазерного излучения без образца. Экспериментальные результаты для пленки гидрогенизированного аморфного кремнияпредставлены на рисунке 77(а).
На графике видна темная область, которая приувеличении длины волны линейно смещается по координате. Как уже говорилосьвыше, в экспериментальной установке находилась линза, которая вносит хроматические аберрации. Соответственно, смещение минимума коэффициента пропускания по координате для разных длин волны связано с продольными хроматическими аберрациями.Аналогичные измерения были проведены для образца (viii), то есть когдацентральная длина волны лазерного луча находилась на длинноволновом краюрезонанса Ми. Параметры лазерного импульса совпадают с теми, которые были использованы в эксперименте по безапертурному z-сканированию для данного образца.
Полученные экспериментальные результаты представлены на рисунке 77(б). Для каждого значения координаты в наблюдается провал в спектре коэффициента пропускания, который связан с возбуждением резонанса Ми.При этом, заметна ассиметрия полученного изображения относительно положения фокуса лазерного луча z = 0. Для того, чтобы убедиться, что она не связана с необратимыми изменениями в образце, было проведено несколько серийизмерений по координате z, то есть вдоль лазерного луча в разных направлениях. Полученные данные в обратном направлении в пределах ошибки совпали срезультатами, измеренными в прямом. Это подтверждает предположение о том,Полностью оптическое переключение лазерного излучения...132Рис.
77: (а) Зависимость спектра коэффициента пропускания пленки гидрогенизированного аморфного кремния от положения в пространстве относительно точкифокусировки лазерного луча. (б) Зависимость спектра коэффициента пропускания образца (viii) от положения в пространстве относительно точки фокусировкилазерного луча.что сдвиг положения минимума в зависимости от длины волны связан с параметрами экспериментальной установки, или точнее с хроматическими аберрациями.Полностью оптическое переключение лазерного излучения...133При обработке результатов для каждой длины волны было получено значение координаты z, соответствующей минимуму пропускания, и построена зависимостьположения минимума от длины волны. Эти данные были аппроксимированнылинейной функцией и произведено смещение спектра z-сканирования с учетомаберраций.
Полученный результат для образца представлен на рисунке 78.На скорректированном графике заметно смещение спектрального положенияминимума пропускания — смещение резонанса Ми при увеличении интенсивности лазерного излучения. Для координаты z = 0, соответствующей точке фокусировки лазерного луча, задетектированно максимальное смещение спектральногоположения минимума резонанса. Для длины волны λ = 757 нм наблюдается увеличение пропускания на ∆T ≈ +21%. Для λ = 775 нм было задетектированоуменьшение пропускания на ∆T ≈ −50%. Эти изменения связаны со смещениемположения магнитного резонанса на ∆λ ≈ 6 нм в красную область.Рис. 78: Зависимость спектра коэффициента пропускания образца (viii) от положения в пространстве относительно точки фокусировки лазерного луча со скорректированными аберрациями.3.3.4 Обсуждение результатов экспериментов по измерению эффекта самовоздействияПолученный сдвиг положения резонанса Ми в спектрах пропускания при z-сканировании вызван фотоиндуцированными процессами в гидрогенизированном аморфном кремнии.
На изменение действительной части показателя преломления можетПолностью оптическое переключение лазерного излучения...134влиять три процесса: нелинейно-оптический эффекта Керра, связанный с наличием Re[χ(3) ], изменение показателя преломления из-за нагрева образца, а такжепроцесс фотогенерации свободных носителей.Так как длина волны титан-сапфирового лазера с энергией !ω ≈ 1.6 эВ на-ходится на краю запрещенной зоны гидрогенизированного аморфного кремнияEg ∼ 1.7 эВ [114,119], то предполагается, что в фемтосекудном оптическом откли-ке нанодисков процесс двухфотонного поглощения будет играть определяющуюроль. Данный процесс приводит к фотогенерации свободных носителей, котораяизменяет показатель преломления образца. Оценим вклад генерации свободныхносителей для гидрогенизированного аморфного кремния.
При малых плотностяхсвободных носителей изменение показателя преломления имеет вид [114]:∆n = −ωp22n(ω 2 + τd−2 ),(56)где ωp = (4πN e2 /m∗ n2 )1/2 — плазменная частота, τd — время столкновения свободных носителей в модели Друде, N — фотоиндуцированная плотность электроннодырочной плазмы, e — заряд электрона, m∗ = 0.12m0 — эффективная масса носителей, где m0 — масса электрона, n — показатель преломления гидрогенизированного аморфного кремния. Для упрощения расчетов потери не учитываются.
Следовательно, для любого N изменение показателя преломления ∆n отрицательно.Длина волны на которой возбуждается магнитно-дипольный резонанс определяется выражением λr ∼ d·n, где d — характерный размер частицы. Следовательно,спектральное положение резонанса Ми должно смещаться в синюю область — этоне наблюдалось в эксперименте по спектроскопии z-сканирования.При релаксации носителей часть энергии диссипирует в фононную подсистему,что приводит к нагреву образца, то есть изменению показателя преломления всоответствии с коэффициентом терморефракции [119]: dn/dT = 4.5 · 10−4 К−1 .Следовательно, релаксация свободных электронов приводит к положительномуизменению показателя преломления среды — смещению спектрального положениярезонанса в красную область.
Именно это и наблюдается в эксперименте.Для оценки вклада нелинейно-оптического эффекта Керра необходимо былоПолностью оптическое переключение лазерного излучения...135провести измерения апертурного z-сканирования при малых интенсивностях лазерного излучения. Заметных изменений задетектировано не было. Линейная зависимость T (F ) при малых значениях оптического потока соответсвует эффектудвухфотонного поглощения, то есть проявлению мнимой части кубичной нелинейной восприимчивости Im[χ(3) ]. Если бы преобладал нелинейный эффект Керра, связанный с действительной частью кубичной нелинейной восприимчивостиRe[χ(3) ], то наблдался бы рост T (F ) для образца (viii) и спад для образца (i).Это связано с тем, что положение резонанса Ми зависит от показателя преломления, то есть, как и в случае нагрева, он должен был бы смещаться при наличии нелинейно-оптического эффекта Керра.
Следовательно, при небольших значениях оптического потока для образцов нанодисков из гидрогенизированногоаморфного кремния Im[χ(3) ] ≫ Re[χ(3) ]. Если же рассматривать розовую областьзначений оптического потока на рисунке 73, то в данном случае нельзя точновыделить сдвиг относящийся к эффекту Керра на фоне смещения положениярезонанса вызванного нагревом. Тогда, по результатам спектроскопии z-сканирования можно сделать вывод, что вероятнее всего нагрев образца приводит кзаметному сдвигу резонанса Ми в красную область, который существенно преобладает по сравнению со сдвигом, связанным с генерацией свободных носителей инелинейно-оптическим эффектом Керра.Следовательно, при помощи методик z-сканирования и I-сканирования получено усиление эффективности нелинейно-оптических эффектов в массивах нанодисков, изготовленных из гидрогенизированного аморфного кремния по сравнению с тонкой пленкой гидрогенизированного аморфного кремния.
Усиление индуцировано локализацией электромагнитного поля в нанодисках при возбуждениимагнитно-дипольных и электрических дипольных резонансов Ми. В зависимостиот взаимного спектрального положения лазерного импульса и резонанса Ми можно изменять эффективность нелинейно-оптических процессов — это приводит кразличным значениям коэффициента двухфотонного поглощения в массивах нанодисков из a-Si:H. Оценка этих значений при помощи экспериментальных методик z-сканирования и I-сканирования достигает величины βsam ≃ 4 см/MВт дляПолностью оптическое переключение лазерного излучения...136массива нанодисков.
Полученные экспериментальные значения не представляется возможным сравнить с какими-либо другими экспериментальными данными,так как ранее в данном спектральном диапазоне значения коэффициента нелинейного поглощения не измерялись. В большинстве работ представлены значениядля волноводов из a-Si:H для длины волны 1.5 мкм [171, 172], которые варьируются в диапазоне от 0.08 до 4.1 см/ГВт, при этом сравнений с пленкой a-Si:Hтакже не приводится. Сравнивать данные результаты нет смысла, так как оптические свойства гидрогенизированного аморфного кремния очень различны дляэтих диапазонов, и в обоих случаях, данные значения модифицированы за счетструктурирования материала.
Именно поэтому, в ходе работы были произведены измерения эффектов самовоздействия для пленки a-Si:H и оценено значениекоэффициента двухфотонного поглощения. Получено, что его величина на два порядка меньше, чем для образца нанодисков. Это подтверждает наличие усиленияпроцесса двухфотонного поглощения, связанного с возбуждением мод резонансовМи в наноструктурах из гидрогенизированного аморфного кремния.4. Полностью оптическое переключение в образцах полностью диэлектрических наноструктур с резонансами Ми4.1. Экспериментальная установка методики “накачка” — “зонд”Для экспериментальной реализации полностью оптического переключения использовался одночастотный метод “накачка” — “зонд”.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
