SciNetwork › SCI Библиотека

Диссертация: НЕЛИНЕЙНЫЕ НЕРАВНОВЕСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ВБЛИЗИ КРАЯ СОБСТВЕННОГО ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА В ПРЯМОЗОННЫХ ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Скачать

Уникальные физические свойства полупроводников открывают большие возможно-
сти их практического применения. Транзисторы, интегральные схемы, квантовые ге-
нераторы и другие полупроводниковые приборы и устройства широко используются
в различных областях науки и техники. В настоящее время все больший интерес
вызывает исследование свойств полупроводников при больших уровнях оптического возбуждения, в частности, изучение свойств полупроводниковых материалов в
присутствии интенсивных электромагнитных волн, генерируемых лазером.
Исследование оптических свойств полупроводников в присутствии сильного ла-
зерного излучения можно отнести к новому виду спектроскопии  динамической
когерентной спектроскопии полупроводников. В известном смысле, это следующий
шаг после разработанной ранее спектроскопии полупроводников в квазистатических
классических полях  электрическом (электромодуляционная спектроскопия), маг-
нитном и поле механических напряжений. Эта новая динамическая когерентная спек-
троскопия интересна как с фундаментальной, так и с прикладной точек зрения.
Высокая интенсивность лазерного возбуждения приводит к проявлению новых
физических явлений, что подтверждается экспериментами. Для их объяснения тре-
буется привлечение новых теоретических методов и представлений.
Фундаментальный аспект проблемы связан с тем, что интенсивное лазерное из-
лучение приводит не только к генерации в полупроводнике электронно-дырочных
пар, экситонов, фононов, биэкситонов и т.д., но может также радикальным образом изменить основные свойства этих элементарных возбуждений. Это в свою очередь приводит к существенным изменениям оптических и акустических свойств полупроводника в определенных областях спектра. Именно с этим обстоятельством
и связан прикладной аспект когерентной динамической спектроскопии. Речь идет
о возможности контролируемого управления физическими характеристиками полу-
проводника посредством воздействия на него интенсивного лазерного излучения. В
некоторых случаях свойства элементарных возбуждений полу

Информация о документе

Формат документа
PDF
Кол-во страниц
301 страница
Загрузил(а)
Старцев Вадим
Старцев Вадим
Лицензия
CC BY
Доступ
Всем
Просмотров
8

Предпросмотр документа

1
2
3
299
300
301

Информация о диссертации

Место защиты (город)
Молдова, Кишинев
Место защиты (организация)
Институт прикладной физики. Академии наук Молдавии
Учёная степень
Доктор наук
Год публикации
1998
Автор(ы)
Белоусов Игорь Викторович
Тема диссертации
01.04.02 Теоретическая физика
Ключевые фразы
нелинейные явления, прямозонные полупроводники, диссертация
Каталог SCI
Физика
Оглавление

ВВЕДЕНИЕ 5
Обзор литературных данных 10
1 Взаимодействие резонансного лазерного излучения с носителями то-
ка в полупроводниках 11
§ 1.1 Двухуровневая система в сильном резонансном поле … … … . . 11
§ 1.2 Полупроводник в сильном резонансном поле … … … … … . 18
§ 1.3 Поглощение сильной электромагнитной волны. Эффект насыщения . . 23
§ 1.4 Рекомбинационное излучение и поглощение зондирующего сигнала в
поле сильной электромагнитной волны … … … … … … . 27
§ 1.5 Различные факторы, влияющие на квазиэнергетический спектр полу-
проводника в сильном поле резонансной электромагнитной волны … 31
§ 1.6 Двухзонная модель полупроводника, описываемая “дираковским” урав-
нением … … … … … … … … … … … … . . 34
2 Распространение интенсивного лазерного излучения в экситонной
области спектра в прямозонных полупроводниках 37
§ 2.1 Экситонные возбуждения. Поляритоны … … … … … … . 37
§ 2.2 Экситон-фононное взаимодействие… … … … … … … . 42
§ 2.3 Неравновесный поляритонный конденсат … … … … … … 44
1
§ 2.4 Перестройка спектров поляритонного и фононного возбуждений в по-
лупроводниках в присутствии сильной электромагнитной волны. Фо-
норитоны … … … … … … … … … … … … 46
§ 2.5 Интенсивная поляритонная волна вблизи порога вынужденного рассе-
яния Мандельштама–Бриллюэна … … … … … … … . 53
§ 2.6 Экситон-экситонное взаимодействие. Неустойчивость внеконденсатных
мод … … … … … … … … … … … … … . 58
I Оптические и акустические свойства полупроводника в
сильном поле резонансного лазерного излучения 64
3 Волновые функции и квазиэнергетический спектр электронов и ды-
рок прямозонного полупроводника в сильном поле резонансного ла-
зерного излучения 65
§ 3.1 Трансформационные свойства двухзонного уравнения … … … 65
§ 3.2 Решение двухзонного уравнения во вспомогательной “системе отсчета” 68
§ 3.3 Решения двухзонного уравнения в исходной “системе отсчета” … . . 72
§ 3.4 Точно решаемая модель … … … … … … … … … . 78
§ 3.5 Квазиэнергетический спектр … … … … … … … … . 79
4 Рекомбинационное излучение прямозонного полупроводника в силь-
ном поле резонансного лазерного излучения 88
§ 4.1 Метод исключения фотонных амплитуд … … … … … … 89
§ 4.2 Представление Фарри … … … … … … … … … . . 92
§ 4.3 Спектр рекомбинационного излучения … … … … … … . 98
5 Поглощение слабого электромагнитного излучения прямозонным по-
лупроводником в сильном поле резонансного лазерного излучения 108
§ 5.1 Вычисление коэффициента поглощения … … … … … … 109
§ 5.2 Спектр поглощения слабого сигнала … … … … … … . . 112
2
6 Магнитопоглощение акустической волны прямозонным полупровод-
ником в сильном поле резонансного лазерного излучения 127
§ 6.1 Волновые функции и квазиэнергетический спектр … … … … 131
§ 6.2 Вычисление коэффициента поглощения ультразвука … … … . . 136
§ 6.3 Спектр поглощения ультразвука … … … … … … … . . 144
II Кинетика частично когерентных поляритонов в прямо-
зонных полупроводниках 151
7 Уравнения Швингера–Дайсона для неравновесной системы частич-
но когерентных поляритонов 153
§ 7.1 Введение … … … … … … … … … … … … 153
§ 7.2 Гамильтониан системы … … … … … … … … … . 155
§ 7.3 Метод Келдыша … … … … … … … … … … . . 157
§ 7.4 Производящий функционал … … … … … … … … . 161
§ 7.5 Уравнение Швингера … … … … … … … … … . . 169
§ 7.6 Преобразование Лежандра … … … … … … … … . . 174
§ 7.7 Вершинные функции … … … … … … … … … . . 180
§ 7.8 Скелетные диаграммы … … … … … … … … … . 183
§ 7.9 Использование вариационного метода для описания квантовых систем
с нарушенной калибровочной симметрией … … … … … . . 189
8 Квантовые кинетические уравнения для неравновесной системы час-
тично когерентных поляритонов 193
§ 8.1 Уравнение для когерентной части поляритонного поля … … … . 193
§ 8.2 Уравнение для корреляционной функции … … … … … … 196
§ 8.3 Метод неравновесного статистического оператора … … … … . 198
§ 8.4 Кинетические уравнения в исходных обозначениях … … … … 207
9 Немонотонный распад неравновесного поляритонного конденсата и
3
временная динамика распределения внеконденсатных поляритонов
в прямозонных полупроводниках 210
§ 9.1 Приближение самосогласованного поля … … … … … … . 210
§ 9.2 Основные эволюционные уравнения … … … … … … … 213
§ 9.3 Начальная стадия эволюции системы … … … … … … . . 217
§ 9.4 Численные результаты … … … … … … … … … . 220
§ 9.5 Заключительные замечания … … … … … … … … . 228
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 232
ПРИЛОЖЕНИЯ 240
i Обозначения и система единиц, используемые в Части I 241
ii Волновые функции носителей заряда двухзонного полупроводника
в поле интенсивной электромагнитной волны с переменной ампли-
тудой и фазой 243
§ ii.1 Решение двухзонного уравнения во вспомогательной “системе отсчета” 244
§ ii.2 Решения двухзонного уравнения в исходной “системе отсчета” … . . 249
§ ii.3 Точно решаемая модель … … … … … … … … … . 251
iii Деформационное взаимодействие электронов и дырок двухзонного
полупроводника с акустическими фононами

Актуальность проблемы

Фундаментальный аспект проблемы связан с тем, что интенсивное лазерное из-
лучение приводит не только к генерации в полупроводнике электронно-дырочных
пар, экситонов, фононов, биэкситонов и т.д., но может также радикальным обра-
5
зом изменить основные свойства этих элементарных возбуждений. Это в свою оче-
редь приводит к существенным изменениям оптических и акустических свойств по-
лупроводника в определенных областях спектра. Именно с этим обстоятельством
и связан прикладной аспект когерентной динамической спектроскопии. Речь идет
о возможности контролируемого управления физическими характеристиками полу-
проводника посредством воздействия на него интенсивного лазерного излучения. В
некоторых случаях свойства элементарных возбуждений полупроводника зависят от
типа поляризации формирующего их лазерного поля (линейная, циркулярная или
эллиптическая поляризации). Это явление открывает дополнительные возможности
контролируемого управления.
С другой стороны, в результате взаимодействия интенсивного лазерного излуче-
ния с элементарными возбуждениями полупроводника меняются и свойства самого
излучения. Поэтому, анализируя изменения, происходящие в фотонной подсистеме,
можно извлекать важную информацию о фундаментальных характеристиках полу-
проводниковых кристаллов. Наиболее детальная информация может быть получена
с помощью использования сверхкоротких импульсов лазерного излучения и иссле-
дования временн ́ой динамики системы “фотоны + элементарные возбуждения полу-
проводника”. Дело в том, что в результате различных процессов рассеяния элемен-
тарных возбуждений могут иметь место потеря когерентности взаимодействующего
с ними лазерного излучения, истощение исходной лазерной моды, генерация фотонов
на иной частоте и другие явления. Варьируя условия эксперимента (интенсивность и
частота лазерного излучения, время задержки пробного импульса, время наблюдения
и т.д.) можно “включать” те или иные механизмы рассеяния и тем самым получать
информацию как о свойствах элементарных возбуждений полупроводника, так и о
динамических константах, связанных с каждым из этих механизмов

Объект исследования

Данная диссертация посвящена некоторым вопросам динамической когерентной
спектроскопии,

Заключение

Сформулируем основные результаты и выводы диссертационной работы:

  1. Найдены волновые функции и исследован квазиэнергетический спектр электрон-
    но-дырочных возбуждений полупроводника в сильном поле внешней электромагнит-
    ной волны, вызывающей резонансные переходы электрона между краем валентной
    зоны и краем зоны проводимости. Показано, что квазиэнергетический спектр су-
    щественно зависит от типа поляризации внешней волны. В случае эллиптической
    поляризации квазиэнергетические дисперсионные кривые, соответствующие разным
    спиновым состояниям электрона в зоне, расщепляются. Однако, величина расщеп-
    ления для каждой из этих кривых различна. В случае циркулярной поляризации
    волны расщепляется только одна из дисперсионных кривых. При линейной поляри-
    зации спиновое вырождение состояний электрона в зоне сохраняется.
  2. Изучен спектр рекомбинационного излучения полупроводника в сильном поле
    произвольно поляризованной электромагнитной волны, возбуждающей резонансные
    межзонные переходы электрона. Показано, что зависимость плотности мощности
    излучения от его частоты имеет резонансный характер, причем количество и по-
    ложение резонансных особенностей зависит от типа поляризации электромагнитной
    волны, температуры образца и направления, в котором наблюдается излучение.
    232
  3. Исследован спектр поглощения слабого электромагнитного сигнала электронно-
    дырочной подсистемой полупроводника в сильном поле резонансной электромагнит-
    ной волны произвольной поляризации. Показано, что зависимость коэффициента
    поглощения слабого сигнала от его частоты имеет резонансное поведение. Количе-
    ство и положение пиков резонансного поглощения и усиления, а также количество и
    размеры областей прозрачности, зависят от температуры образца, типа поляризации
    как сильного, так и слабого электромагнитных полей, взаимной ориентации направ-
    лений их распространения.
  4. Изучено магнитопоглощение слабой продольной акустической волны полупровод-
    ником в переменном электрическом поле, параллельном магнитному. Показано, что
    в случае, когда направление распространения акустической волны перпендикулярно
    сильному магнитному полю, в спектре поглощения возникают резонансные особен-
    ности, связанные с генерацией пары электронно-дырочных возбуждений.
  5. Разработан метод нахождения кинетических уравнений, описывающих поведение
    неравновесных систем с нарушенной калибровочной симметрией. В борновском при-
    ближении получены квантовые кинетические уравнения для системы поляритонов
    большой плотности, возбуждаемой в прямозонном полупроводнике неравновесным
    поляритонным конденсатом с учетом обратного влияния рожденных пар полярито-
    нов на состояние конденсатной моды.
  6. В рамках приближения самосогласованного поля изучена временн ́ая эволюция
    неравновесного поляритонного конденсата. Показано, что в результате поляритон–
    поляритонного рассеяния значительное истощение конденсата происходит за очень
    короткий промежуток времени, определяемый его начальной плотностью. Распад
    конденсата имеет вид нелинейных затухающих осцилляций. Обращается внимание
    на необратимый характер решения обратимых во времени эволюционных уравнений.
    233
  7. Исследована динамика функции распределения внеконденсатных поляритонов,
    возбуждаемых в прямозонном полупроводнике неравновесным поляритонным кон-
    денсатом. Показано, что на начальной стадии эволюции системы она имеет вид сим-
    метричного колокола. Затем на контуре функции распределения появляются осцил-
    ляции, которые с течением времени переходят в мелкую хаотическую рябь. Площадь
    под контуром функции распределения испытывает осцилляции, синфазные осцилля-
    циям плотности поляритонного конденсата. Отмечается зарождение коротковолно-
    вого крыла функции распределения, а также возгорание, а затем частичное угасание
    дополнительного острого пика, возникающего на временном интервале, характери-
    зующемся малыми значениями плотности поляритонного конденсата и относительно
    медленным ее изменением
Список источников
  1. I. V. Belousov, On Resonanse Compton Scattering in the Field of an Intense
    Electromagnetic Wave. Optics Communications, 20, 205 (1977).
  2. И. В. Белоусов, О резонансном комптоновском рассеянии в поле интенсивной
    электромагнитной волны. В кн. Собственные полупроводники при больших уровнях
    возбуждения (Штиинца, Кишинев, 1978), c. 173–179.
  3. В. П. Олейник, Д. И. Абакаров, И. В. Белоусов, Коллективные возбуждения
    электронов и дырок в сильном электромагнитном поле и поглощение света в полу-
    проводнике в условиях параметрического резонанса. Журнал экспериментальной и
    теоретической физики, 75, 312 (1978).
  4. И. В. Белоусов, Решения двухзонного уравнения кейновской модели полупровод-
    ника в однородных постоянном магнитном и переменном электрическом полях. В кн.
    Экситоны и биэкситоны в полупроводниках (Штиинца, Кишинев, 1982), c. 154–160.
  5. И. В. Белоусов, Комптоновское рассеяние в сильном электромагнитном поле с
    235
    точки зрения двух наблюдателей. В кн. Молодежь и научно–технический прогресс
    (Штиинца, Кишинев, 1982), c. 224–225.
  6. I. V. Belousov, Compton Scattering in a Strong Laser Field from two Observers’ point
    of view. Physics Letters A, 106, 7 (1984).
  7. I. V. Belousov, V. P. Oleinik, Restructuring of the Energy Spectrum and Light Absorption
    in a Semiconductor in an Intense Electromagnetic Field. Journal of Physics C: Solid State
    Physics, 12, 655 (1979).
  8. И. В. Белоусов, В. А. Синяк, Решения двухзонного уравнения кейновской модели
    полупроводника в поле интенсивной электромагнитной волны с переменной ампли-
    тудой и фазой. Теоретическая и математическая физика, 5, 190 (1980).
  9. И. В. Белоусов, В. В. Серженту, Решения двухзонного уравнения кейновской мо-
    дели полупроводника в однородных постоянном магнитном и переменном электриче-
    ском полях. В кн. Экситоны и биэкситоны в полупроводниках (Штиинца, Кишинев,
    1982), c. 154–160.
  10. И. В. Белоусов, О роли асимптотических условий, налагаемых на волновые функ-
    ции электронно-дырочных возбуждений узкозонного полупроводника во внешнем по-
    ле интенсивной электромагнитной волны. В кн. Экситоны и биэкситоны в полупро-
    водниках (Штиинца, Кишинев, 1982), c. 160–181.
  11. В. П. Олейник, И. В. Белоусов, Проблемы квантовой электродинамики вакуума,
    диспергирующих сред и сильных полей (Штиинца, Кишинев, 1983).
  12. И. В. Белоусов, В. В. Серженту, В. В. Фролов, Излучательная рекомбинация
    электронов и дырок полупроводника в поле сильной электромагнитной волны. Жур-
    нал экспериментальной и теоретической физики, 91, 626 (1986).
  13. I. V. Beloussov, V. V. Serzhentu, V. V. Frolov, Recombination Radiation of a Semiconductor
    236
    in the Field of a Strong Electromagnetic Wave. Optics Communications, 57, 102 (1986).
  14. И. В. Белоусов, В. В. Серженту, Поглощение ультразвука электронами и дырками
    полупроводника в постоянном магнитном поле при резонансном лазерном возбужде-
    нии. В кн. Когерентные состояния и фазовые переходы в системе экситонов большой
    плотности (Штиинца, Кишинев, 1985), c. 143–163.
  15. I. V. Beloussov, V. V. Serzhentu, On the Light Absorption in a Semiconductor in the
    Field of a Strong Electromagnetic Wave. Optics Communications, 66, 115 (1988).
  16. И. В. Белоусов, В. В. Серженту, Двойной оптический резонанс в двухзонном полу-
    проводнике. В кн. Квантово-статистические свойства экситонов большой плотности
    (Штиинца, Кишинев, 1988), c. 119–129.
  17. И. В. Белоусов, Ю. М. Швера, Кинетика поляритонов большой плотности. I. Урав-
    нение Дайсона. Препринт ИПФ АН МССР No 13 (Штиинца, Кишинев, 1989).
  18. И. В. Белоусов, Ю. М. Швера, Кинетика поляритонов большой плотности. II. Ки-
    нетические уравнения. Препринт ИПФ АН МССР No 14 (Штиинца, Кишинев, 1989).
  19. И. В. Белоусов, Ю. М. Швера, Кинетика поляритонов большой плотности. I. Урав-
    нение Дайсона. В кн. Экситоны и биэкситоны в размерно-ограниченных системах
    (Штиинца, Кишинев, 1990), c. 133–176.
  20. I. V. Beloussov, Yu. M. Shvera, Kinetics of Partially Coherent Polaritons in Semiconductors.
    Schwinger-Dyson Equations. Physica Status Solidi (b), 139, 91 (1990).
  21. I. V. Beloussov, Yu. M. Shvera, Kinetics of Partially Coherent Polaritons in Semiconductors.
    Zeitschrift f ̈ur Physik B, 90, 51 (1993).
  22. И. В. Белоусов, Ю. М. Швера, Кинетика поляритонов большой плотности. II. Ки-
    нетические уравнения. В кн. Взаимодействие экситонов с лазерным излучением (Шти-
    237
    инца, Кишинев, 1991), c. 57–74.
  23. И. В. Белоусов, Ю. М. Швера, Кинетические уравнения для системы частично
    когерентных поляритонов большой плотности в полупроводниках. Теоретическая и
    математическая физика, 85, 237 (1990).
  24. I. V. Belousov, Yu. M. Shvera, Decay of Non-Equilibrium Polariton Condensate in
    Semiconductors. Preprint of Int. Centre of Theoretical Physics No. IC/93/235 (Miramare–
    Trieste, 1993).
  25. I. V. Beloussov, Yu. M. Shvera, Decay of Non-Equilibrium Polariton Condensate.
    In Bose–Einstein Condensation ed by A. Griffin, D. W. Snoke, S. Stringari (Cambrige
    University Press, New York, 1995), pp. 513-518.
  26. I. V. Belousov, V. V. Frolov, Multiple Polariton Echo in Direct-Gap Semiconductors.
    In Coherent Phenomena and Amplification without Inversion ed. by Anatoli V.Andreev,
    Olga Kocharovskaya and Paul Mandel (SPIE ( – The International Society for Optical
    Engineering) Proceedings Series, v. 2798, Washington, 1996), pp. 163–174.
  27. И. В. Белоусов, В. В. Фролов, Нелинейная собственная нутация поляритонов
    большой плотности в прямозонных полупроводниках. Журнал экспериментальной
    и теоретической физики, 109, 1806 (1996).
  28. I. V. Belousov, V. V. Frolov, Nonmonotonic Decay of Nonequilibrium Polariton
    Condensate in Direct-Gap Semiconductors. Physical Review B, 54, 2523 (1996).
  29. I. V. Belousov, V. V. Frolov, Time Dynamics of Partially Coherent Polaritons in
    Direct-Gap Semiconductors. In the Proceedings of the 23 th Int. Conf. on the Physics
    of Semiconductors (Berlin, Germany, Technicsche Universit ̈at, July 21–26, 1996) ed. by
    Matthias Scheffler and Roland Zimmermann (World Scientific Publishing Co.Pte.Ltd.,
    Singapore,1996), v. 1, pp. 361–364.
    238
  30. I. V. Beloussov, V. V. Frolov, Decay of an Intense Polariton Wave in Direct-Gap
    Semiconductors and Time Dynamics of the Distribution of Scattered Polaritons. Physica
    Status Solidi (b), 206, 249 (1998).
SciNetwork › SCI Библиотека