Диссертация (1149960), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Отраженный от образца зондирующий пучок снова проходит через линзу перед криостатом, через еще одну линзу и призму Волластона, которая разделяет пучокна два, с перпендикулярными линейными поляризациями. Два получившихсяпучка фокусируются на двух приемных окнах балансного детектора. Детекторнастраивается в ручном режиме при закрытом пучке накачки.При измерении керровского вращения сигнал с балансного детектора подается по очереди на два синхронных детектора (вход второго подключен квыходу первого).
На первый синхронный детектор в качестве ведущей частотыподана частота фотоупругого модулятора, на второй — суммарная или разностная частота модуляции оптического прерывателя. Таким образом, на первомсинхронном детекторе получается сигнал на частоте модуляции поляризациипучка накачки, чувствительный именно к поляризации. На втором синхронномдетекторе выделяется сигнал, чувствительный к одновременному приходу импульса накачки и зондирования.
Такая двойная модуляция должна позволятьсильно снизить уровень шума.Сигнал с второго синхронного детектора выводится в компьютер, с которого осуществляется управление линией задержки и положениями щелей налиниях фильтрации (с помощью программы на LabView). Таким образом, возможно получение временных зависимостей сигнала от задержки, а также спектров в зависимости от энергий накачки и зондирования.31λ2λ4λ2Sample in the cryostatfs Ti:Sa laserDelay lineλ4Quarter-wave platesAcousto-optical filterλ2Half-wave platePolarizersSpectrometerРисунок 2.1 — Схема установки с полным анализом поляризации. Образец помещен в криостат закрытого цикла при 4.2 К.
С помощью акусто-оптическогофильтра выбираются импульсы накачки спектральной ширины 0.1 мэВ.32λ2probe beamPPλ /2pump beam42.00.142.1fs Ti:Sa laserPPPolarizerPulse pickerλ2Delay lineLiquid He cryostat withmagnetic fieldBeam splitterSample in the cryostatZero-dispersion filtering lineson diffraction gratingsWollaston prismPhoto-elastic modulatorChopper with two aperturesHalf-wave platesBalanced detector42.00.142.1Lock-in amplifiersРисунок 2.2 — Схема установки с использованием больших магнитных полей.Образец помещен в заливной криостат при температуре жидкого гелия.
Осуществляется независимая спектральная фильтрация накачивающего и зондирующего пучков.33Глава 3. Керровское вращение в полупроводниковоммикрорезонаторе c квантовой ямойВ данной главе демонстрируется фотоиндуцированное керровское вращение, близкое к теоретическому пределу в /2, в микрорезонаторе с квантовойямой, находящемся в режиме сильной связи, и проясняется роль согласованияимпеданса в этом эффекте.
Последовательный анализ состояния поляризацииотраженного света позволяет идентифицировать микроскопические механизмы,ответственные за усиление гиротропии микрорезонатора при оптической накачке, и провести их количественный анализ. Показано, что и спин-зависимое синеесмещение экситонной энергии, и уменьшение силы осциллятора экситона вносятсравнимый вклад в фотоиндуцированное керровское вращение.3.1Проведенный экспериментИзучаемый образец был выращен на субстрате из GaAs и представляетсобой 1-микрорезонатор с 20-нм квантовой ямой в центре.
Переднее (заднее)брегговское зеркало состоит из 15 (25) пар /4 AlAs/Al0.1 Ga0.9 As слоев. Резонатор выращен на клиновидном слое, что позволяет контролировать отстройкуэнергии фотонной моды от энергии экситона с помощью выбора места фокусировки пучка лазера (радиусом 50 мкм) на поверхности образца. Структураобразца показана на рис. 3.1. Образец не был специально выращен для этихэкспериментов, его устройство более подробно описано в статьях [45; 46].
Вычисленное значение коэффициента пропускания переднего зеркала (1 =0.017)выбрано таким для компенсации остаточного поглощения ниже запрещеннойзоны в слоях Al0.1 Ga0.9 As, образующих зеркало и межзеркальный промежуток.Это условие обеспечивает самый глубокий минимум в спектре отражения принизких температурах и нулевую отстройку между резонаторной модой и тяжелым экситоном.34Рисунок 3.1 — Схема структуры исследуемого образца. Толщина межрезонаторного промежутка изменяется вдоль образца, что приводит к появлению градиента энергии фотонной моды ≈ 10 мэВ/мм.35S32θ2φS2S1Рисунок 3.2 — Сфера Пуанкаре для нормированных компонент вектора Стокса1 , 2 , 3 . Указаны также эллиптичность Θ и угол керровского вращения (впредположении, что начальная поляризация была линейной вертикальной).36В разделе 2.1 приведена схема и описание установки, на которой был проведен эксперимент.
С ее использованием для каждой задержки между импульсами накачки и зондирования спектры отраженного зондирующего пучка былиизмерены в шести поляризациях: линейных вертикальной, горизонтальной, диагональной и антидиагональной, в правой и левой циркулярных. Эти спектрызадают состояние поляризации зондирующего пучка в терминах компонент вектора Стокса, которые могут быть привязаны к сфере Пуанкаре, см.
ур. (2.1).Сфера Пуанкаре показана на рис. 3.2. В эксперименте начальная поляризациязондирующего пучка — линейная вертикальная, поэтому угол для отраженного зондирующего пучка является углом керровского вращения.Угол керровского вращения и эллиптичность Θ вычислены из параметров Стокса (см. ур. (2.1)): = 1/2⎧⎪⎪arctan ⎪⎨arctan + ⎪⎪⎪⎩arctan − при > 0при ≥ 0, < 0(3.1)при < 0, < 0,где = , = иΘ = 1/2 arcsin(+− ).(3.2)Образец был помещен в криостат закрытого цикла при 4.2 К и исследовался в геометрии отражения с использованием время-разрешенной методики накачки-зондирования.
Гиротропия в активном слое создавалась оптической накачкой циркулярно поляризованными импульсами в резонансе с верхней поляритонной ветвью. Из широкого спектра фемтосекундного лазерногоимпульса с помощью акустооптического фильтра выбирались импульсы накачки спектральной ширины 0.1 мэВ со средней мощностью изменяемой в пределах0 − 20 мВт. Поскольку коэффициент отражения для верхней поляритонной ветви сильно зависел от отстройки резонаторной моды, в количественном анализеиспользовалась поглощенная оптическая мощность, а не падающая, в предположении что вся энергия, проходящая через переднее зеркало, поглощалась вквантовой яме.
Зондирующие импульсы имели ширину 20 мэВ и были линейнополяризованы в вертикальной плоскости, параллельной кристаллографической37Detection energy (eV)1.54X2LX1.53UPBXLPBReflection1.52MC20.534Spot position (mm)15Рисунок 3.3 — Спектр отражения от структуры в зависимости от положениялуча в плоскости образца.38оси (110), для минимизации влияния оптической анизотропии образца. Их средняя мощность не превышала 0.1 мВт.На рис. 3.3 показана цветовая карта коэффициента отражения линейнополяризованного света (в отсутствии накачки) как функция энергии фотона и-координаты на поверхности образца (при низкой интенсивности зондирующего пучка ≈ 2 мкВт).
Энергия фотонной моды практически линейно меняетсявдоль образца. Для каждого положения наблюдаются три минимума в спектреотражения, соответствующие фотонной моде резонатора (MC-мода), тяжелому(X) и легкому (LX) экситонам. И X, и LX-моды демонстрируют антипересечение с MC-модой. Самое большое по энергии антипересечение наблюдаетсяиз-за второго квантованного уровня экситона в квантовой яме (X2). Нижняяи верхняя поляритонные ветви обозначены LPB и UPB. Спектры в области ≈ 3.2 мм не показаны из-за раскола образца в этой точке. Над точкой антипересечения с верхним экситонным уровнем ширина MC-моды становится внесколько раз больше из-за внутризонного поглощения в квантовой яме и увеличенных потерь в зеркалах. Эти спектры отражения линейной поляризацииописаны в рамках модели нелокального диэлектрического отклика.
Коэффициент отражения микрорезонатора в отсутствии накачки выражается функцией(), полученной суммированием волн, отраженных от всех гетерограниц [47],Γ221×,() = 1 + 221 + 2 − − (Γ + Γ ) − 3∑︁2 =.−−Γ=1(3.3)Здесь — собственная частота резонатора, Γ (Γ ) — излучательный (безызлучательный) коэффициент затухания моды резонатора, — сила связи междуэкситоном и световым полем (равная половине частоты Раби [5]), — энергияэкситона в квантовой яме, Γ — коэффициент затухания экситона. Индекс присутствует для трех экситонных резонансов, X, LX и X2. Зеркала характеризуются коэффициентами пропускания 1 и 2 для переднего и заднего зеркаласоответственно.
Неоднородное уширение энергии фотонной моды из-за градиента толщины резонатора в пределах светового пятна было учтено с помощью39свертки коэффициента отражения () с гауссовским распределением шириныΓℎ .Параметры, полученные с помощью подгонки линейных спектров отражения этой моделью, приведены в табл. 3.1. Согласование импеданса в этойструктуре происходит при отстройке MC-моды, равной ≃ −3 мэВ. Отметим,что из-за неоднородного уширения коэффициент отражения не доходит до нуляна энергии нижней поляритонной ветви даже в точке согласования импеданса.Хотя LX и X2-поляритоны не вызывают сильного фотоиндуцированного керровского вращения, необходимо принимать их во внимание при моделированииспектров для корректного описания поляритонных состояний.На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
