Диссертация (1105407), страница 22
Текст из файла (страница 22)
Длительность лазерныхимпульсов была равна 45 фс, центральная длина волны λ = 780 нм, спектральная ширна ∆λ = 19 ± 2. Коэффициент, с помощью которого оценивают Фурье-ограниченность импульсов, был равен Tpulse ≈ 0.4. Частота повторения лазерныхимпульсов равна ν = 80 МГц.
В работе использовалась двухканальная экспериментальная схема, показанная на рисунке 79. Абсолютно аналогичным образом,как в разделе 4.1.1 главы 3, при помощи дополнительных стеклянных пластинв схеме уравнивлась положительная дисперсия, которая впоследствии компенсировалась отрицательной дисперсией при помощи чирпированных зеркал в пре-Полностью оптическое переключение лазерного излучения...137компрессоре. Луч после светоделителя расходился на два канала: “накачку” и“зонд”. “Зондирующий” импульс проходил через линию задержки, полуволновуюпластину и призму Глана. Далее два луча совмещались на образце при помощилинз.
Угол падения излучения обоих каналов на образец был равен θ = 7◦ . Диаметр лучей на образце был равен d = 2r ≈ 30 мкм. Средняя мощность луча“накачки” была равна P ≈ 20 мВт. Следовательно, значение оптического пото-ка, проходящего через образец, было равно F ≈ 35 мкДж/см2 .
В этом случаенелинейно-оптический эффект двухфотонного поглощения преобладает по срав-нению с нагревом образца. Соотношение мощностей в двух каналах было равно25:1. Детектор регистрировал излучение “зондирующего” импульса, который имелвертикальную поляризацию. Излучение лучей “накачки” и “зонда” имело ортогональные поляризации, и перед детектором находилась призма Глана, котораяселектировала сигнал “зонда”. Сигнал с детектора поступал на синхронный усилитель, который регистрировал интенсивность “зондирующего” импульса на частоте оптического прерывателя, находящегося в канале “накачки”. Детектировалисьизменения интенсивности “зондирующего” импульса ∆T , вызванные изменениемсвойств образца импульсом “накачки” в зависимости от времени прихода импульсана образец.
Кроме того, для каждого образца измерялся его коэффициент пропускания T путем переставления оптического прерывателя в канал зондирующегоимпульса.Прежде чем устанавливать образец в экспериментальную схему, необходимобыло найти положение транслятора, при котором два импульса от обоих каналов сходятся в пространстве и времени. Для этого на место образца ставилсянелинейный кристалл BBO — так, чтобы выполнялось условие синхронизма длягенерации суммарной частоты по биссектрисе между лучами (аналогично экспериментальной схеме в главах диссертации 2 и 3).
Соответственно, при совпадениилазерных импульсов на поверхности BBO, детектор регистрировал автокорреляционную функцию для лазерного импульса, используемого в установке. После, наместо нелинейного кристалла устанавливался образец.Полностью оптическое переключение лазерного излучения...138Рис. 79: Экспериментальная установка для измерения процесса полностью оптического переключения методом “накачка” – “зондирование”. ПГ – призма глана,ПВП — полуволновая пластина, О — оптический прерыватель, Д — детектор.4.2. Экспериментальные результаты оптического переключения в образцах массивов нанодисков с резонансами МиРассмотрим характерную зависимость ∆T /T от времени задержки между импульсами, которая была получена в ходе эксперимента для образца (vii) (рис.
80).Серая область — автокорреляционная функция импульса, полученная при помощи нелинейного кристалла BBO. На графике зависимости ∆T /T можно выделитьдва процесса. Первый — это наличие общего отрицательного фона, связанного снагревом образца. Второй — это провал, возникающий в момент одновременногоприхода лазерных импульсов “накачки” и “зондирования” на образец. Полуширина этого провала совпадает с полушириной автокорреляционной функции, равной65 ± 2 фс, поэтому, можно сделать вывод, что это мгновенный отклик двухфотонного поглощения.На рис. 81 слева представлены результаты измерения для семи различных образцов, спектр которых представлен справа.
Для наглядности тепловой фон былвычтен. Для всех образцов в зависимости ∆T /T задетектирован провал, соответствующий процессу двухфотонного поглощения. Для образцов (iii–vi) послепровала задетектировано появление пика. Максимальное значение модуляции величины ∆T /T = 1.2 ± 0.2% наблюдается для образца (i), когда перекрываетсяПолностью оптическое переключение лазерного излучения...139Рис. 80: График зависимости изменения коэффициента пропускания образца от времени.
Розовым выделен вклад от нагрева. Серый график — кросскорреляционная функция используемого лазерного импульса.край резонанса. При увеличении перекрытия спектра импульса и резонансов Ми(образцы (ii–v)), его амплитуда постепенно уменьшается и достигает минимальнойвеличины ∆T /T ≈ 0.1% для образца (v).
При дальнейшем смещении резонансов вкоротковолновую область, наблюдается постепенное увеличение глубины прова-ла (образцы (vi–vii)). Следовательно, когда спектр лазерного импульса совпадает с положениями резонансов Ми наблюдается подавление мгновенного откликадвухфотонного поглощения. Это согласуется с результатом, полученным методомI-сканирования: для образца (v) была задетектирована минимальная модуляциякоэффициента отражения (рис.73).Еще одной особенностью является возникновение удлинения оптического отклика образцов (i), (ii), (iii) для времен задержки между импульсами τ > 150 фс.Для этих трех случаев спектр лазерного импульса перекрывает. Отметим, что дляобразцов (i–iii) наблюдается сильное перкрытие электрического и магнитного дипольных резонансов.
Предполагается, что задетектированное удлинение являетсяпроцессом релаксации свободных носителей. Для образцов (iv–vii) длинного пикосекундного затухания не наблюдается. В этом случае спектр лазерного импульсаначинает перекрывать длинноволновую область магнитно-дипольного резонанса.Следовательно, в зависимости от спектрального положения спектра лазерного импульса относительно положения резонансов Ми может наблюдаться подавлениеПолностью оптическое переключение лазерного излучения...140Рис. 81: Слева: графики зависимости изменения коэффициента пропускания образцов от времени. Справа: спектры коэффициента пропускания образцов.
Серымвыделена спектральная ширина на полувысоте используемого лазерного импульса.влияния на оптический отклик релаксации свободных носителей.4.2.1 Релаксация свободных носителей в образцах полностью диэлектрическихнаноструктур с резонансами МиНа графике 82 представлен длинный временной отклик для образца (i) в диапазоне времен до 60 пс. Предполагается, что эта релаксация соответствует релаксации свободных носителей с характерным временем tr ≈ 30 пс, полученнымиз аппроксимации экспериментальной кривой экспоненциальной зависимостью.Этот результат хорошо согласуется с ранее представленными данными [114]: дляпленки a-Si:H с низкой концентрацией свободных носителей было получено времярелаксации равное tr ≈ 25 пс.Полностью оптическое переключение лазерного излучения...141Рис.
82: Красная кривая — график зависимости изменения коэффициента пропускания образца (i) от времени. Синяя кривая — аппроксимация экспериментальных данных экспоненциальной зависимостью. Длительность релаксации свободных носителей достигает 30 пс.4.2.2 Оптическое переключение, нерезонансный случайДля сравнения был изготовлен образец (ix) с радиусом нанодисков кремния меньше 105 нм. Это позволило сместить электрический и магнитный дипольные резонансы в коротковолновую область оптического излучения, так что в диапазонеспектра используемого лазерного импульса не наблюдается резонансных особенностей. На рисунке 83(б) представлен спектр коэффициента пропускания образца(ix), серым отмечена спектральная ширина используемого лазерного импульса.На рисунке 83(а) представлена зависимость ∆T /T от времени задержки между импульсами.
Задетектированная модуляция коэффициента пропускания менее0.05%.4.3. Экспериментальные результаты полностью оптического переключения вобразцах массивов нанодисков с использованием чирпированных импульсовДругой экспериментальной реализацией процесса переключения было использование лазерных импульсов с заведомо наведенным чирпом. Использовались ла-Полностью оптическое переключение лазерного излучения...142Рис.
83: (а) График зависимости изменения коэффициента пропускания образца(ix) от времени задержки между импульсами в случае, когда в диапазоне спектра используемого лазерного импульса не наблюдается резонансных особенностей.(б) Спектр коэффициента пропускания образца (ix). Серым выделена спектральная ширина используемого лазерного импульса.зерные импульсы со спектральной шириной ∆λ = 65 ± 4 нм и центральной длиной волны λ0 = 795 нм. При такой спектральной ширине длительность Фурьеограниченного импульса должна была равняться 16 фс. В нашем случае длительность лазерного импульса была равна 120 фс за счет наличия в экспериментальной установке элементов, которые вносят положительную дисперсию. Это значит,что частота поля в импульсе линейно изменяется с течением времени — в импульсе изменяется состав спектральных компонент.
В начале импульса преобладаюткоротковолновые спектральные компоненты, а в конце импульса — длинноволновые. На рисунке 84 слева это наглядно показано переливом от синего к красномуцвету.На рис. 84 слева представлены результаты измерения для шести образцов, чейспектр представлен справа. Для всех образцов в зависимости ∆T /T задетектированы провалы, соответствующие процессу двухфотонного поглощения, аналогично случаю с Фурье-ограниченным импульсом, представленным в разделе 4.2.Первое отличие — для образцов (i–iv) задетектировано два провала величины∆T /T в течение длительности лазерного импульса, один из которых исчезает приперемещении спектра лазерного импульса в длинноволновую область резонанса.Полностью оптическое переключение лазерного излучения...143Рис.
84: Слева: графики зависимости изменения коэффициента пропускания образцов от времени. Сине-красный график — кросс-корреляционная функция используемого лазерного импульса с наведенным линейным чирпом. Справа: спектры коэффициента пропускания образцов. Серым выделена спектральная ширинаиспользуемого лазерного импульса.Это связано с тем, что у образцов (i–iv) спектр лазерного импульса перекрываетдва резонанса. Так как спектр импульса имеет линейный чирп, то для времензадержки τ от −200 до −50 фс спектральный состав импульса совпадает со спектральным положением электрического дипольного резонанса (коротковолнового),а для времен задержки от −50 до 200 фс лазерный импульс взаимодействуетс длинноволновым магнитно-дипольным резонансом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
