научная статья по теме ОСЦИЛЛЯЦИИ ПОГЛОЩЕНИЯ ЗОНДИРУЮЩЕГО ПИКОСЕКУНДНОГО ИМПУЛЬСА СВЕТА, ВЫЗВАННЫЕ ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ С СОБСТВЕННЫМ ПИКОСЕКУНДНЫМ СТИМУЛИРОВАННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В GAAS Физика

Текст научной статьи на тему «ОСЦИЛЛЯЦИИ ПОГЛОЩЕНИЯ ЗОНДИРУЮЩЕГО ПИКОСЕКУНДНОГО ИМПУЛЬСА СВЕТА, ВЫЗВАННЫЕ ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ С СОБСТВЕННЫМ ПИКОСЕКУНДНЫМ СТИМУЛИРОВАННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В GAAS»

ОСЦИЛЛЯЦИИ ПОГЛОЩЕНИЯ ЗОНДИРУЮЩЕГО ПИКОСЕКУНДНОГО ИМПУЛЬСА СВЕТА, ВЫЗВАННЫЕ ЕГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ С СОБСТВЕННЫМ ПИКОСЕКУНДНЫМ СТИМУЛИРОВАННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ В СаАэ

Н. Н. Агеева, И. Л. Броневой* Д. Н. Забегаев, А. Н. Кривоносое

Институт радиотехники и электроники им. В. А. Котельншова Российской академии наук

125009, Москва, Россия

Поступила в редакцию 29 августа 2014 г.

Ранее [1] в тонком слое (толщиной около 1 мкм) СаАв, подвергнутом мощной пикосекундной накачке, была обнаружена автомодуляция спектра поглощения пикосекундного импульса света. Из анализа ее характеристик [5] вытекало, что зависимости поглощения зондирующего импульса от энергии импульса накачки и от пикосекундной задержки между накачивающим и зондирующим импульсами должны быть автомодул и рованы осцилляциями. Такая автомодуляция экспериментально обнаружена в настоящей работе. При определенных условиях осцилляции поглощения оказались функцией доли энергии собствен ного пикосекундного стимулированного излучения расположенной над определенным по-

рогом в области перекрытия фронта излучения с фронтом зондирующего импульса. Обнаруживается сходство осцилляций поглощения с выявленной ранее [4] автомодуляцией характеристик собственного излучения. Это позволяет предполагать, что в основе автомодуляции поглощения и излучения лежит один и тот же тип взаимодействия световых импульсов в активной среде, физический механизм которого еще предстоит выявить.

DOI: 10.7868/S0044451015040102 1. ВВЕДЕНИЕ

В работе [1] была обнаружена и в последующих работах авторов исследовалась автомодуляция спектра поглощения a(hu>p) пикосекундного импульса света в тонком слое GaAs, подвергнутом пикосекундной накачке (а коэффициент поглощения, huip энергия фотона зондирующего импульса). Вследствие накачки в GaAs сверхбыстро возникало пикосекундное стимулированное краевое излучение (далее называемое просто излучением) [2], обладавшее (еще до достижения им торцов образца) биста-бильной автомодуляцией спектра [3]. Последняя создавалась собственными модами активного резонатора, образованного продольными плоскими границами слоя GaAs. Характеристики излучения, выходившего из торца, оказались тоже автомодулирован-ными [4].

* E-mail: bil'&'cplire.ru

С помощью фурье-анализа эволюции спектров поглощения в области т ~ 0 была выведена амплиту-до-фазо-частотная характеристика модуляции спектров (т задержка зондирующего импульса относительно импульса накачки) [5]. Из фурье-анализа следовало предположение, что поглощение зондирующего импульса с фиксированной энергией фотона Ьи).р, выбранной с учетом фазовой характеристики, должно иметь компоненту, осциллирующую при изменении т. Осциллирующий вклад в зависимость а(т) был обнаружен в настоящей работе.

Циклическое изменение модуляции части спектра поглощения при изменении энергии И *сз. возбуждающего импульса (накачки) и фиксированной задержке т было обнаружено [6] и удовлетворительно объяснено [7]. Из этого вытекало, что зависимость а (Игсх), измеряемая при фиксированных значениях т и Тыр, должна быть автомодулирована. В согласии с этим, в настоящей работе обнаружен осциллирующий вклад в зависимость а: (Игсх).

Указанные выше вклады позволяют предполагать, что энергообмен с помощью электрон-ЬО-фо-

ионного взаимодействия, происходящий между зондирующим импульсом и импульсом соответствующей спектральной компоненты излучения, осциллирует в зависимости от доли энергии излучения <Ш *,, которая будет подробно определена ниже. Соответственно, если раньше для объяснения изменений автомодуляции спектра поглощения с изменением т предполагалось, как более вероятное, возникновение в реальном времени автоколебаний обеднения засе-ленностей энергетических уровней носителями заряда, то теперь более вероятной причиной представляется взаимодействие зондирующего импульса с импульсом собственного ппкосекундного излучения. Это пока не ставит под сомнение образование самих обеднений, хотя бы потому, что помимо прочего они еще объясняют ограничение ширины спектра излучения в работе [8].

Обнаруживается сходство автомодуляций поглощения и излучения, которое, во-первых, позволяет предполагать, что в их основе лежит один и тот же тип взаимодействия световых импульсов в активной среде, физический механизм которого еще предстоит выявить. Возможно, это взаимодействие разновидность вынужденного комбинационного рассеяния, как предполагалось в работе [3]. Во-вторых, сходство указывает на возможность изучать физический механизм нелинейного взаимодействия спектральных мод в активной среде полупроводниковых лазеров на примере взаимодействия излучения с направляемым в активную область извне зондирующим импульсом, параметры которого доступны регулированию и измерению. Такая перспектива интересна как возможный путь к исследованию механизма спектральных иестабильиостей излучения полупроводниковых лазеров, в частности, конкуренции и переключения спектральных мод.

2. ЭКСПЕРИМЕНТ

Поглощение о. исследовалось по методике на-

качка зондирование (ехске-ргаЬе), широко исполь-

зуемой в оптической спектроскопии сверхбыстрых

процессов [9]. Опыты проводились при комнатной

температуре на ппкосекундном лазерном комплексе с автоматизированной системой сбора и обработки измеряемых величин. Исходно комплекс был изготовлен в Научном центре лазерных исследований Вильнюсского государственного университета

(НЦЛИ ВГУ). Во время эксплуатации в ИРЭ РАН комплекс неоднократно модернизировался. Краткое представление о комплексе в его нынешнем виде

дано в работах [2,10]. Образец представлял собой гетероструктуру Alo.22Gao.78As GaAs Al0.4Ga0.eAs с толщиной эпитаксиальных слоев соответственно 1.2 1.6 1.2 мкм. Гетероструктура была выращена молекулярно-лучевой эпитаксией на (ЮО)-подлож-ке GaAs. Предназначавшаяся для исследований область гетероструктуры была освобождена от подложки с помощью химпко-динамического травления. Концентрации донорных и акцепторных примесей в гетероструктуре но превышали 1015 см-3. Слои Al3.Gai_3. As, предназначенные для стабилизации поверхностной рекомбинации и механической прочности, были прозрачны для света, используемого в эксперименте. На параллельные эпитакси-альным слоям поверхности образцов было нанесено двухслойное антиотражающее покрытие из БЮг и SisN4. Благодаря этому, отражение света, направленного близко к нормали к поверхности образца, не превышало 2 % в реальных условиях наших экспериментов.

При межзонном поглощении мощного возбуждающего импульса (накачки) с энергией фотона Ты(:х = 1.558 эВ, падавшего на образец под углом 10° относительно нормали к его поверхности, в слое GaAs генерировалась горячая электрон-дырочная плазма (ЭДП). Ее плотность (п = р > 1018 см-3) была достаточной для сверхбыстрого возникновения в GaAs стимулированного излучения. Интенсивность излучения, усиливавшегося преимущественно при его распространении вдоль слоя GaAs, могла превышать, по оценкам работы [11], величину 108 Вт-см-2.

Зондирующий луч проходил через фотовозбужденную область слоя GaAs перпендикулярно плоскости слоя. Возбуждающий и зондирующий лучи были параллельно линейно поляризованы. Длительность возбуждающего и зондирующего импульсов на полу высоте (FWHM) составляла около 10 пс. Диаметры возбуждающего луча (FWHM) 0.5 мм, зондирующего 0.3 мм. Интегральная энергия возбуждающего импульса была больше интегральной энергии зондирующего импульса на три порядка. Изменение интенсивности света по сечению возбуждающего и зондирующего лучей было приблизительно гауссовым. Поэтому исходно плотность фотогенернруемой ЭДП должна иметь неоднородное распределение в пространстве [12].

Поглощение света определялось так же, как и в предшествующих работах. При минимально возможной энергии Wp зондирующего импульса измеряли оптическую плотность невозбужденного образца

a0D = lu

T°(ñojp)

где «о коэффициент поглощения невозбужденного образца, D толщина слоя GaAs, Т прозрачность образца, ñu)* энергия фотона, при которой еще не возникает межзонного поглощения света. Индекс «0» (здесь и ниже) означает отсутствие возбуждения (накачки). Затем измеряли просветление

1п(Т7Т°) = /(Гшр),

представлявшее уменьшение оптической плотности GaAs при его накачке (здесь индекс «1» означает наличие возбуждения). Для этого проводились измерения интегральной энергии прошедшего через образец зондирующего импульса, поочередно при накачке и без нее. Учитывались только те измерения, для которых интегральные энергии опорных импульсов в каналах зондирования и возбуждения отклонялись от заданных значений не более чем на ±4 % (опорные импульсы это фиксированные доли энергии возбуждающего и зондирующего импульсов, отщепляемые от них до их падения па образец). По результатам около ста измерений рассчитывалось просветление

Г1 i _ i

"т»" 11/.;://.;'•

F1 F1

' р 'Г

где Ер средняя энергия зондирующего импульса, Ег средняя энергия опорного импульса в канале зондирования. Коэффициент поглощения света а: в фотовозбужденном слое СаАв определяли, пользуясь выражением

ыегуг0)

а = а: о

D

В работе [3] было обнаружено выделение в спектре излучения двух наборов (/' и /г) эквидистантных мод излучения. С начала накачки в спектре доминировали по интенсивности /-моды, а после прохождения максимума накачки уже преимущественно /г-моды. Было предположено, что фазовая характеристика модуляции спектра поглощения связана с модовой структурой спектра излучения. К началу настоящей работы возникло предположение, что модуляция поглощения это результат взаимодействия, протекающего при участии ЬО-фононов, между зондирующим импульсом и той компонентой стимулированного излучения, энергия фотона которой меньше на кА энергии фотона зондирующего импульса; здесь к целое число, Д = = Тыьо{ 1 + и>, /'»/,)• Тшьо энергия ЬО-фонона,

п>, и m h массы электрона и тяжелой дырки. При указанной величине Д разность энергий уровней, на которые генерируются электроны при поглощении зондирующего импульса и с которых стимулировано рекомбинируют электроны, равна khuiLo-Участие электрон-ЬО-фононного взаимодействия в образовании автомодуляции поглощения было доказано [13,14

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком