Пространственно-модуляционная спектроскопия полупроводниковых материалов на основе динамических решеток

Толстик А.Л., Даденков И.Г., Станкевич А.А.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Толстик А.Л., Даденков И.Г., Станкевич А.А. Диагностика функциональных материалов методом динамических решеток // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 5. С. 3–10. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-05-03-10

Tolstik A.L., Dadenkov I.G., Stankevich A.A. Spatial modulation spectroscopy of semiconductors using dynamic gratings [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 5. P. 3–10. http://doi.org/ 10.17586/1023-5086-2022-89-05-03-10

Ссылка на англоязычную версию:

A. L. Tolstik, I. G. Dadenkov, and A. A. Stankevich, "Spatial modulation spectroscopy of semiconductors using dynamic gratings," Journal of Optical Technology. 89(5), 250-254 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000250

Аннотация:

Предмет исследования. Предложены методы диагностики функциональных материалов на основе записи и считывания динамических решеток. Метод. В основу положено использование импульсной записи тонких и объемных динамических решеток с последующим восстановлением непрерывным лазерным излучением, позволяющим проследить динамику формирования и релаксации записываемой дифракционной решетки. На основе измеренных кинетик дифрагированного сигнала определяются нелинейно-оптические, термооптические и кинетические характеристики конденсированных сред. Основные результаты. Проанализированы возможности метода динамических решеток для диагностики и измерения характеристик ряда функциональных материалов. Показана эффективность измерения кинетических характеристик в условиях импульсной записи тонких и объемных голографических решеток. На примере фоторефрактивного кристалла силиката висмута определены времена жизни коротко- и долгоживущих ловушечных уровней, участвующих в процессе записи динамических решеток. Установлена зависимость дифракционной эффективности решеток от интенсивности записывающего излучения. Продемонстрированы преимущества использования дополнительной решетки (гомодина), позволяющей разделять вклады различных механизмов нелинейности в условиях их одновременного проявления. Такая методика применена к монокристаллическому германию. На примере пленки диоксида кремния предложен метод оценки толщины пленки на поверхности образца по амплитуде осциллирующей компоненты, связанной со звуковой волной, распространяющейся в воздухе у поверхности пленки. Для измерения нелинейной оптической восприимчивости пятого и более высокого порядков предложено использовать дифракцию в различные порядки на объемных динамических решетках. Разработанные методики апробированы на фоторефрактивных кристаллах и полупроводниковых средах, диагностика которых позволила определить кинетические и термооптические характеристики, включая времена заселения ловушечных уровней, термооптический коэффициент и температуропроводность. Практическая значимость. Предложенные в настоящей работе методы диагностики позволяют выделить различные механизмы нелинейности, участвующие в формировании динамических решеток, и измерить нелинейно-оптические, термооптические и кинетические характеристики (оптические восприимчивости различных порядков, термооптический коэффициент, температуропроводность, времена жизни свободных носителей заряда и ловушечных уровней).

Ключевые слова:

голография, нелинейная оптика, динамические решетки, оптическая восприимчивость, температуропроводность, фоторефрактивные кристаллы, полупроводники

Коды OCIS: 050.2770, 090.5694

Список источников:

1. Rubanov A.S., Tolstik A.L., Karpuk S.M., Ormachea O. Nonlinear formation of dynamic holograms and multiwave mixing in resonant media // Opt. Commun. 2000. V. 181. P. 183–190.
2. Толстик А.Л. Многоволновые взаимодействия в растворах сложных органических соединений. Минск: БГУ, 2002. 159 с.
3. Agishev I.N., Tolstik A.L. Highly effective six-wave mixing in linearly absorbing organic liquids // Technical Phys. Lett. 2009. V. 35. P. 746–749.
4. Ивакин Е.В., Киселев И.Г., Ральченко В.Г., Большаков А.П., Ашкинази Е.Е., Шаронов Г.П. Исследование динамики индуцированной лазерным излучением плазмы свободных носителей заряда в монокристаллическом CVD-алмазе методом двухфотонного поглощения // Квант. электрон. 2014. Т. 44. С. 1055–1060.
5. Ivakin E.V., Kisialiou L.G., Antipov O.L. Laser ceramics Tm:Lu2O3. Thermal, thermo-optical, and spectroscopic properties // Opt. Mater. 2013. V. 35. P. 499–503.
6. Dadenkov I.G., Tolstik A.L., Miksyuk Yu.I., Saechnikov K.A. Photoinduced absorption and pulsed recording of dynamic holograms in bismuth silicate crystals // Optics and Spectroscopy. 2020. V. 128. P. 1401–1406.
7. Nastas А.M., Iovu М.S., Agishev I.N., Gavrusenok I.V., Melnikova Е.А., Stashkevitch I.V., Tolstik А.L. Formation of holographic diffraction gratings in thin films of chalcogenide glassy semiconductors // J. Belarusian State University. Physics. 2021. № 3. P. 4–11.
8. Петров М.П., Степанов С.И., Хоменко А.В. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике. СПб.: Наука, 1992. 320 с.
9. Buse K. Electric and dielectric properties of Bi12TiO20 single crystals // Appl. Phys. B: Lasers A. Optics. 1997. V. 64. № 3. P. 273–291.
10. Nazhestkina N.I., Kamsyilin A.A., Kobozev O.V., Prokofiev V.V. Detection of small phase modulation using two-wave mixing in photorefractive crystals // Appl. Phys. B. 2001. V. 72. № 6. P. 767–773.
11. Каргин Ю.Ф., Бурков В.И., Марьин А.А., Егорышев А.В. Кристаллы Bi12SiхO20–δ со структурой силленита. Синтез, строение, свойства. М.: изд. ИОХН РАН, 2004.
12. Шандаров С.М., Буримов Н.И., Кульчин Ю.Н., Ромашко Р.В., Толстик А.Л., Шепелевич В.В. Динамические голограммы Денисюка в кубических фоторефрактивных кристаллах // Квант. электрон. 2008. Т. 38. С. 1059–1069.
13. Pochi Yeh. Introduction to photorefractive nonlinear optics. N.Y.: Wiley, 1993. 410 p.
14. Wevering S., Imbrock J., Kratzig E. Relaxation of light-induced absorption changes in photorefractive lithium tantalate crystals // JOSA. B. 2001. V. 18. P. 472–478.
15. Matusevich A., Tolstik A., Kisteneva M., Shandarov S., Matusevich V., Kiessling A., Kowarschik R. Investigation of photo-induced absorption in a Bi12TiO20 // Appl. Phys. B. 2008. V. 92. № 2. P. 219–224.
16. Matusevich A., Tolstik A., Kisteneva M., Shandarov S., Matusevich V., Kiessling A., Kowarschik R. Methods for controlling of the laser-induced absorption in a BTO crystal by using of cw-laser radiation // Appl. Phys. B. 2009. V. 96. № 1. P. 119–125.
17. Кистенева М.Г., Акрестина А.С., Сивун Д.О., Киселев Р.В., Шандаров С.М., Смирнов С.В., Толстик А.Л., Агишев И.Н., Станкевич А.В., Каргин Ю.Ф. Динамика фотоиндуцированного поглощения света в кристаллах силленитов при облучении импульсами пикосекундной длительности // Докл. Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2010. Т. 22. № 2. Ч. 2. С. 62–65.
18. Khudyakova E.S., Kisteneva M.G., Shandarov S.M., Kornienko T.A., Tolstik A.L., Kargin Yu.F. Dynamics of light-absorption variations induced in a bismuth silicate crystal by visible laser illumination // Radiophysics and Quantum Electronics. 2015. V. 57. № 8–9. P. 589–594.

19. Kornienko T., Kisteneva M., Shandarov S., Tolstik A. Light-induced effects in sillenite crystals with shallow and deep traps // Phys. Proc. 2017. V. 86. P. 105–112.
20. Толстик А.Л., Матусевич А.Ю., Кистенева М.Г., Шандаров С.М., Иткин С.И., Мандель А.Е., Каргин Ю.Ф., Кульчин Ю.Н., Ромашко Р.В. Спектральная зависимость поглощения, фотоиндуцированного в кристалле Bi12TiO20 лазерными импульсами длиной волны 532 нм // Квант. электрон. 2007. Т. 37. № 11. С. 1027–1032.
21. Hermann J.P., Herriau J.P., Huignard J.P. Nanosecond four-wave mixing and holography in BSO crystals // Appl. Opt. 1981. V. 20. P. 2173–2174.
22. Partanen J.P., Nouchi P., Jonathan J.M.C., Hellwarth R.W. Comparison between holographic and transientphotocurrent measurements of electron mobility in photorefractive Bi12SiO20 // Phys. Rev. B. 1991. V. 44. P. 1487–1491.
23. Murillo J.G. Photorefractive grating dynamics in Bi12SiO20 using optical pulses // Opt. Commun. 1999. V. 159. P. 293–300.
24. Станкевич А.В., Толстик А.Л., Хайдер Х.К. Фотоиндуцированное поглощение в кристаллах титаната висмута при нано- и пикосекундном возбуждении // Письма в ЖТФ. 2011. Т. 37. № 16. С. 7–14.
25. Roger J.P., Lepoutre F., Fournier D., Boccara A.C. Thermal diffusivity measurement of micron-thick semiconductor films by mirage detection // Thin Solid Films. 1987. V. 155. P. 165–174.
26. Магунов А.Н. Лазерная термометрия твердых тел. М.: Физматлит, 2002. 224 с.
27. Pohl D.W., Schwarz S.E., Irniger V. Forced Rayleigh scattering // Phys. Rev. Lett. 1973. V. 31. № 1. P. 35–38.