Генерация второй гармоники в структурах на основе микропористого кремния

 

Как известно, генерация ВГ в микропористом кремнии происходит весьма неэффективно [13]. Основная идея увеличения эффективности ГВГ в ПК, реализуемая здесь, состоит в уменьшении фазовой расстройки для процесса ГВГ путем создания периодической многослойной структуры из ПК. Такой подход позволяет существенно повысить эффективность ГВГ в многослойных структурах на основе ПК по сравнению с сигналами второй гармоники как от однородного слоя ПК, так и от монокристаллического кремния, служащего подложкой для данной структуры. При этом в зависимости от периода структуры может меняться эффективность процесса генерации ВГ в таких одномерных фотонных кристаллах.

Многослойные структуры на основе ПК были сформированы в процессе электрохимического травления монокристаллических пластин кремния в растворе HF в этаноле (в отношении 1:

). В качестве подложки применялся кремний р-типа с ориентацией поверхности (100) с удельным сопротивлением ~ 10 Ом·см. Электрохимическое травление проводилось поочередно подаваемыми импульсами тока, плотности токов составляли j₁ = 5 мА/см² и j₂ = 105 мА/см². Было сформировано три многослойные структуры (A, B и C), которые отличались толщинами слоев ПК; каждая из них содержала 12 пар слоев с пористостями приблизительно 70% и 80%. Показатели преломления слоев n₁ ~ 1, 2 и n₂ ~ 1, 4 соответственно. Толщины слоев низкой и высокой пористостей составили d₁ = 87 нм, d₂ = 95 нм для структуры A, d₁ = 111 нм, d₂ = 137 нм для структуры B, d₁ = 178 нм, d₂ = 150 нм для структуры C. Изготовленные образцы люминесцирова - ли в области 550 - 800 нм, что указывало на малый размер кремниевых нанокристаллов (< 2 нм), при котором возникает квантово-размерный эффект. Изменение угла падения света на образец приводит к смещению максимумов отражения, что позволяет осуществлять подстройку дисперсии структуры для процесса генерации ВГ.

Пикосекундная лазерная система, использованная для исследования генерации ВГ при отражении от многослойной структуры из ПК, включает в себя задающий Nd: YAG генератор (длина волны 1, 064 мкм) с пассивной синхронизацией мод и управляемой добротностью резонатора, систему выделения одиночных импульсов на основе электрооптического затвора и два каскада усиления. Лазерный импульс на выходе усилительных каскадов имеет длительность около 35 пс и энергию до 3 мДж при гауссовом пространственном распределении интенсивности в сечении пучка усиленного излучения. Частота повторения импульсов генерации составляла 1 Гц.

Зависимость интенсивности ВГ от угла поворота образца вокруг нормали к его поверхности для структуры A приведена на рисунке 20 [14].

 

Рисунок 20-Ориентационная зависимость сигнала ВГ

 

Интенсивность второй гармоники, генерируемой в многослойной структуре на основе ПК, более, чем на порядок превосходит не только сигнал от однородного слоя ПК как высокой, так и низкой пористостей, но и сигнал ВГ, генерируемой при отражении от c-Si с ориентацией поверхности (100), на котором многослойная структура была сформирована. Видно, что сигнал ВГ практически не зависит от азимутального угла поворота. Излучение ВГ было практически полностью р-поляризовано. Эффективность процесса генерации ВГ при ее накачке р-поляризованным излучением выше, чем в случае, когда излучение на основной частоте было s-поляризовано [14].

На рисунке 21 приведены зависимости интенсивности второй гармоники от угла падения для многослойных структур А, B и C.

 

Рисунок 21 - Зависимости сигнала ВГ от угла падения излучения для структур А, В и С

 

Первая из них позволяла достигать максимальной интенсивности ВГ. Зависимость интенсивности ВГ от угла падения является немонотонной: интенсивность второй гармоники весьма низка при угле падения?, близком к нормальному, и достигает своего максимума при? = 55°. Сигнал второй гармоники для структур B и C намного слабее, а их максимумы достигаются при больших углах падения.

Следует отметить отсутствие ориентационной зависимости при одновременной преимущественной р-поляризации второй гармоники (рисунок 20). Этот эффект, а также большая эффективность ГВГ при накачке р-поляризованным излучением, по-видимому, объясняются особенностями структуры пористого слоя. Поскольку рост пор происходит вдоль направления [100], т.е. вдоль нормали к поверхности, то нанокристаллы кремния будут по преимуществу вытянуты вдоль оси [100]. Как следствие, локальное поле в нанокристалле вдоль этой оси будет выше, чем в перепендикулярных направлениях, что отразится и на величине нелинейной восприимчивости. Что касается ориентационной зависимости, очевидно, она исчезает ввиду оптической изотропности изучаемых структур в направлениях, перпендикулярных к нормали. Различие интенсивностей ВГ для структур A, B и С свидетельствует о том, что генерация ВГ не связана с напряжениями, которые могут возникать в структуре или на границе ее раздела с подложкой.

Наиболее интересным эффектом представляется обнаруженная зависимость эффективности второй гармоники от угла падения излучения накачки на образец (рисунок 21) [14].

Был проведен анализ зависимости расстройки волновых векторов излучений на основной и удвоенной частоте k₁ и k₂ от угла падения излучения с учетом дисперсии многослойной периодической структуры и материальной дисперсии ПК.

Опираясь на результаты измерений отражения, была сделана оценка разности показателей преломления на длинах волн 1, 064 мкм и 0, 532 мкм как 0, 01 для слоя с большей пористостью и 0, 005 для слоя с меньшей пористостью [12].

Зависимость расстройки волновых векторов Δ k = k₂ - 2k₁ от угла падения излучения, рассчитанная для периодических структур с указанными выше параметрами в направлении распространения волны накачки, приведена на рисунке 22 [12].

 

Рисунок 22 - Зависимость расстройки волновых векторов Δ k = k₂ - 2k₁ от угла падения излучения

 

При определенных углах падающего излучения достигается минимум Δ k. Для структуры A данный угол, согласно расчетам, соответствует 50°, что близко к углу, соответствующему экспериментально наблюдаемому максимуму эффективности генерации ВГ. Некоторое различие в величинах этих углов может быть объяснено ролью френелевских факторов, уменьшающих интенсивность накачки из-за роста коэффициента отражения с увеличением угла падения. Таким образом, экспериментально установлено, что в многослойной периодической структуре на основе пористого кремния происходит генерация второй гармоники, эффективность которой намного превышает эффективность генерации второй гармоники как в однородном слое пористого кремния, так и на поверхности монокристаллического кремния. Эффективность генерации второй гармоники существенно зависит от толщин слоев. Излучение на частоте ВГ является р-поляризованным, а его интенсивность не зависит от угла поворота структуры в плоскости, перпендикулярной нормали. Получена немонотонная зависимость интенсивности ВГ от угла падения излучения накачки на образец. Обнаруженные эффекты связываются с достижением в структуре при определенном угле падения минимума фазовой расстройки для процесса генерации ВГ.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться: