ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Быстрое управление фазой. Компрессия и формирование световых импульсов из "Оптика фемтосекундных лазерных импульсов " Электронный механизм оптической генерации звука в полупроводниках на пути к генерации предельно коротких акустических импульсов. Экспериментальные и теоретические исследования [94—961 выявили ряд важных преимуществ, которые может дать использование полупроводниковых кристаллов для создания оптических генераторов пикосекундных акустических импульсов. С точки зрения оптической генерации акустических волн наиболее существенной особенностью полупроводников является наличие в них наряду с термоупругим дополнительного механизма деформации кристаллической решетки. Речь идет о так называемом электронном или концентрационно-деформационном механизме [94—97], который обусловлен изменением равновесной плотности полупроводников при оптической генерации неравновесных электронно-дырочных пар. [c.166] Термоупругая генерация волн деформации происходит при пространственно-неоднородном нагреве и остывании кристаллической решетки, причем уменьшение температуры тела Т определяется исключительно теплопроводностью. Генерация волн деформации за счет электронного механизма, согласно (3), происходит как при увеличении концентрации неравновесных носителей (при межзонном поглощении света), так и при уменьшении п . Однако, в отличие от температуры кристалла Т, концентрация носителей в плазме в силу (4) падает не только за счет ее пространственной диффузии, но и за счет рекомбинации электронно-дырочных пар. Важно, что время рекомбинации неравновесных носителей Тр суш,ественно зависит от их концентрации при двухчастичной рекомбинации, Тр Пе при Оже-реком-бинации). Поэтому, изменяя плотность энергии оптического воздействия и, следовательно, характерную концентрацию фотовозбужденных носителей, можно эффективно влиять на эволюцию плазмы после окончания светового воздействия и, тем самым, на процесс генерации волн деформации. Уменьшая время рекомбинации Тр, можно добиться выключения деформационного источника акустических волн за времена, не превосходящие длительность оптического воздействия т (при Тр т,,), и существенного уменьшения длины диффузии неравновесных носителей /д==К1)дТр. Оба эти обстоятельства приводят к сокращению длительности оптически возбужденных в полупроводниках импульсов деформации вплоть до [95, 96]. [c.167] Важное преимущество электронного механизма генерации звука состоит и в том, что при тр т он приблизительно на порядок эффективнее термоупругого [94—96]. Лишь при Тр т в результате насыщения концентрации фотовозбужденных носителей и ускорения процессов термализации энергии термоупругий механизм начинает конкурировать с электронным. [c.167] Отметим, что сильная зависимость коэффициента поглощения оптического излучения от превышения энергий светового кванта ширины запрещенной зоны Wg позволяет, используя различные (или перестраиваемые) источники света, в широких пределах изменять характерную глубину области фотогенерации носителей В тех случаях, когда длительность акустических импульсов определяется временем пробега звука по области поглощения света (та т = (6 a) i), это должно приводить к эффективной перестройке длительности акустических импульсов. Для генерации сверхкоротких импульсов деформации с важно, что в полупроводниках можно реализовать поглощение оптического излучения в тонком приповерхностном слое (/ 10- —10-1 см-1). [c.167] В рассматриваемом нами случае рост концентрации носителей не ограничивается объемной рекомбинацией вплоть до т Тр, т. е. [c.168] Отметим, что пространственная протяженность возбужденного акустического сгустка /а=СаТа 1 мкм. Таким образом, в акустической волне реализуются градиенты давления до 20 Мбар/см. Эти перепады давления могут еще более возрастать по мере укорочения фронта импульса при его нелинейном распространении. Для длины образования разрыва в акустической волне справедлива оценка что в рассматриваемом случае приводит к /р 80 мкм (e — нелинейный параметр). Таким образом, оптическое возбуждение подобных акустических импульсов позволит изучить процессы их нелинейной трансформации [99] в образцах толщиной свыше 100 мкм. [c.169] Для возбуждения пикосекундных акустических импульсов сжатия непосредственно в процессе межзонного поглощения света необходимо одновременно с уменьшением т увеличивать плотность поглощаемой световой энергии (что приведет к уменьшению Тр). [c.171] Подводя итоги, можно сказать, что представляется физически реальным оптическое возбуждение в полупроводниках когерентных импульсов деформации длительностью Та== 1—100 пс, пространственной протяженностью0,01—1 мкм, сдавлениями порядка 100—1 кбар. Коэффициент преобразования оптического излучения в звук может достигать значений )п=10 —Ю . [c.171] Получение предельно коротких импульсов есть результат реализации простого и наглядного принципа компрессии — фокусировки оптического излучения во времени. Ключевыми моментами фокусировки во времени (здесь прослеживается ясная аналогия с фокусировкой волновых пучков в пространстве) является быстрая фазовая (частотная) модуляция и сжатие промодулированного импульса в диспергирующей среде. Если речь идет о генерации импульсов с длительностью, сравнимой с периодом оптических колебаний, то диапазон сканирования частоты должен быть, очевидно, сравним с несущей частотой. [c.172] Наиболее удобным на сегодняшний день методом создания столь быстрой модуляции оказывается фазовая самомодуляция в среде с практически безынерционной электронной нелинейностью. Идеальная система сжатия, по аналогии с безаберрационной фокусировкой волнового пучка, предполагает осуществление линейной по времени частотной модуляции и точной фазировки компонент уширенного спектра в фокальной точке. Практическая реализация условий идеального сжатия — сравнительно трудная задача. Устранение аберраций, возникающих в модуляторе и компрессоре, повышение энергетического КПД, улучшение качества и стабильности сжатых импульсов, эффективное управление формой — проблемы, привлекающие сейчас наибольшее внимание. [c.172] Вернуться к основной статье