Диссертация (1335833), страница 20
Текст из файла (страница 20)
4.5. Фотография плазменного облака, полученного при пробое воздуха оптическим полем,содержащим импульс первой гармоники с энергией 900 мкДж и импульс второй гармоники с энергией 50 мкДж. Изображение наложено на фотографию калибровочного слайда для микроскопа,полученную при том же увеличении объектива камеры.ных участках конуса, как было показано в экспериментах, проведенных при помощи ячейки Голея.В первой главе настоящей работы была в наиболее простом приближении показанасвязь между пространственным профилем ТГц излучения и длиной излучающей области(см. формулу (1.24) и обсуждение после неё, а также работу [81]). Максимум энергии ТГц√︁излучения приходится в угол 2от оси оптического излучения.
В условиях эксперимента длину излучающей области можно оценить по длине светящегося облака плазмы присъемке сбоку при помощи CCD-камеры. Фотография плазменного облака с наложеннымна нее изображением калибровочного слайда для микроскопа, полученная при энергиипервой гармоники 900 мкДж, показана на рисунке 4.5. Оценивая длину плазменного облака примерно в 9мм, для ТГц излучения на частоте 1 ТГц (длина волны 300 мкм), получаемугол раскрытия конуса 14.8∘ , что в целом согласуется с результатами, полученными экспериментально (см. рис. 4.3).Несмотря на то, что указанный механизм формирования конуса излучения прост дляпонимания, его моделирование потребует решения как задачи о распространении оптических компонент излучения через облако плазмы, создаваемое самим оптическим импульсом, так и задачу о дифракции широкополосного терагерцового излучения на этом жеплазменном облаке, поперечные размеры которого сравнимы с длиной волны ТГц излучения, а плазменная частота лежит в верхней части терагерцового диапазона.
Решение этихзадач выходит за рамки данной диссертационной работы.После того, как результаты проведенных измерений пространственного профиля ин108тенсивности ТГц излучения были опубликованы в работе [88], ряд научных групп такжезаявлял о наблюдении конического профиля интенсивности ТГц [129, 145] и ИК излучения [146, 147] из плазмы оптического пробоя. Как правило, авторы использовали матрицудетекторов ИК излучения и непосредственное сканирование поперечного профиля пучкаперемещением ячейки Голея, установленной на двухкооринатном трансляторе.
Полученные данные интерпретировали как следствие протяженности плазменного источника ТГцизлучения, на протяжении которого разность фаз между гармониками не остается постоянной, а также поглощением ТГц излучения в кремниевом фильтре в приосевой области.4.4. Выводы по главе 5Пространственное распределение интенсивности линейно поляризованного терагерцового излучения, возникающего в газе при взаимодействии в газах фемтосекундных импульсов первой и второй гармоники титан-сапфирового лазера с длительностью порядка100 фс и энергией до 1 мДж и до 0.05 мДж соответственно, имеет конический характер.Угол раскрытия конуса обратно пропорционален корню из длины образующегося плазменного канала и частоты терагерцового излучения.109Глава 5Генерация ТГц излучения в плёнках диоксида ванадия5.1. ВведениеКак было продемонстрировано в предыдущих главах диссертации, при рассмотрениигенерации ТГц излучения в плазме оптического пробоя газов возникла необходимостьисследовать как вклад свободных, так и связанных электронов среды.
Поляризационныйподход к исследованию ТГц излучения открывал возможность разделить эти вклады между собой. В данной главе будет показано, что анализ поляризации ТГц излучения, генерируемого в неисследованном ранее источнике также позволяет пролить свет на механизм,ответственный за генерацию. Для этого будет рассмотрен процесс генерации импульсногоТГц излучения при взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с тонкими плёнками диоксида ванадия. Для этого материала соотношение между количеством свободныхи связанных электронов может варьироваться при изменении температуры благодаря наличию фазового перехода полупроводник-металл.Среди перспективных материалов для применения в ТГц диапазоне частот диоксидванадия VO2 занимает особое место. Это вещество испытывает фазовый переход [148]первого рода [149] из полупроводникового состояния в металлическое при температуре68∘ , что приводит к увеличению его проводимости до четырех порядков величины [150].При этом фазовом переходе от низкотемпературной моноклинной фазы (в дальнейшембудем пользоваться обозначением VO2 (M) к высокотемпературной тетрагональной (обозначаемой в дальнейшем как VO2 (R)) фазе его оптические и терагерцовые свойства резкоизменяются.
Так, показатель преломления в оптическом диапазоне уменьшается от 2.67до 2.26 [151], а для излучения ТГц диапазона частот его свойства приближаются к свойствам металла, то есть он отражает большую часть излучения [152]. Низкотемпературнаяфаза характеризуется шириной запрещенной зоны 0.7 эВ, а расщепление 3|| зоны, определяющей проводимость материала, имеет расщепление в 2.5 эВ [153]. Резкий контраст пропускания между двумя фазовыми состояниями и лёгкость достижения фазового переходаделают этот материал весьма привлекательным для использования в управляемых оптоэлектронных устройствах для оптического диапазона частот: оптических модуляторах,насыщающихся поглотителях, сверхбыстрых переключателях, метаматериалах, а также110элементах управления распространением ТГц пучка: управляемых аттенюаторах, амплитудных и фазовых экранах, зеркалах, поляризаторах ТГц излучения [154–156].Фазовый переход в проводящее состояние может быть инициирован не только нагревом [157], но и лазерным излучением [158], приложением постоянного напряжения [159]или давления [160].
Комбинация этих воздействий позволяет достичь наиболее наиболееудобных условий для фазового перехода для решения конкретной прикладной задачи[157].Резкий контраст проводимости двух фазовых состояний диоксида ванадия приводитк значительным различиям и в их нелинейно-оптических свойствах. Например, в экспериментах по генерации третьей гармоники [161], z-сканированию [162] и вырожденномучетырехволновому смешению [163, 164] нелинейный отклик возрастал в ряде случаев напорядок величины при фазовом переходе в проводящее состояние.При этом как изолирующая, так и проводящая фаза VO2 принадлежат центросимметричным классам материалов: низкотемпературная фаза имеет структуру рутила и принадлежит к пространственной группе P21 /, а высокотемпературная имеет моноклиннуюструктуру и относится к пространственной группе P42 /mnm. Таким образом, свойства симметрии запрещают протекание нелинейных процессов второго порядка в объеме среды вслучае отсутствия какой-либо анизотропии [161].Тем не менее, в ходе выполнения диссертационной работы удалось наблюдать процесс генерации терагерцового излучения в тонких пленках (35-300 нм) диоксисда ванадиякак в изолирующем, так и в проводящем фазовом состоянии при оптическом возбуждении импульсами регенеративного усилителя титан-сапфирового лазера.
Данный процессудовлетворительно описывается феноменологической моделью трехволнового смешения.В ходе фазового перехода, металлическая и изолирующая фаза диоксида ванадиямогут сосуществовать одновременно, свидетельствуя [165] о перколяционной природе фазового перехода. Подобным образом происходит переход от непроводящей островковойплёнки к проводящей в процессе роста сверхтонких металлических плёнок [166]. Однако,в отличие от последнего процесса, фазовый переход полупроводник-металл в плёнках диоксида ванадия намного более просто достигается и поддается изучению.
Важно отметить,что в тонких плёнках металла как вблизи, так и после перколяционного перехода в металлическое состояние при возбуждении излучением фемтосекундного лазера наблюдаласьгенерация ТГц излучения [50–52, 54]. Для этих плёнок в качестве механизма генерации111называли как нелинейный отклик поверхности металла, так и движение электронов проводимости. Аналогию можно провести и с плёнками диоксида ванадия, хотя их существенноеотличие от металлических плёнок заключается в существенно меньшей длине свободногопробега носителей заряда (она близка к периоду кристаллической решетки [167]).Изучение нелинейно-оптических процессов второго порядка на поверхностях металлов активно проводится в течение нескольких десятилетий, в-основном, на примере генерации второй гармоники.
Краткий исторический обзор работ по этой теме можно найти,например, в работах [168, 169]. Методы и подходы, развитые для теоретического описаниягенерации второй гармоники на поверхностях металлов, можно применять и для процессагенерации ТГц излучения, что будет показано в данной главе.Целью данной главы является исследование процесса генерации терагерцового излучения в эпитаксиальных плёнках диоксида ванадия, выращеных на подложках c- и r-срезасапфира.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
