Нелинейно-оптические свойства кремния при воздействии ультракоротких лазерных импульсов инфракрасного спектрального диапазона (1,2–2,4 мкм)

Смирнов Н.А., Гулина Ю.С., Буслеев Н.И., Кудряшов С.И., Пахольчук П.П., Котенев Т.Ю.

Полный текст на elibrary.ru

Ссылка для цитирования:

Смирнов Н.А., Гулина Ю.С., Буслеев Н.И., Кудряшов С.И., Пахольчук П.П., Котенев Т.Ю. Нелинейно-оптические свойства кремния при воздействии ультракоротких лазерных импульсов инфракрасного спектрального диапазона (1,2–2,4 мкм) // Оптический журнал. 2025. Т. 92. № 7. С. 95–101. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-07-95-101

Smirnov N.A., Gulina Yu.S., Busleev N.I., Kudryashov S.I., Pakholchuk P.P., Kotenev T.Yu. Nonlinear optical properties of silicon under the influence of ultrashort laser pulses of the infrared spectrum range (1.2–2.4 µm) [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2025. V. 92. № 7. P. 95–101. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2025-92-07-95-101

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Нелинейное поглощение монокристаллического кремния в среднем инфракрасном диапазоне (1,2–2,4 мкм) спектра в поле высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов. Цель работы. Измерение коэффициентов многофотонного поглощения кремния в поле высокоинтенсивных фемтосекундных лазерных импульсов в среднем инфракрасном диапазоне для выбора эффективных режимов лазерной обработки кремния. Метод. Оценка коэффициентов многофотонного поглощения осуществлена методом измерения мощности проходящего излучения сквозь кремний с последующей аппроксимацией зависимостей. Основные результаты. Исследованы нелинейно-оптические свойства кремния при возбуждении высокоинтенсивными ультракороткими лазерными импульсами излучения среднего инфракрасного диапазона. Продемонстрирован двухфотонный характер поглощения. Коэффициент двухфотонного поглощения на длинах волн 1,2–2,4 мкм находится в диапазоне 1,1–0,4 см/ГВт. Практическая значимость. Понимание процесса нелинейной фотоионизации и получение таких параметров, как коэффициенты многофотонного поглощения имеет ключевое значение при выборе эффективных режимов лазерной обработки кремния.

Ключевые слова:

кремний, нелинейное поглощение, ультракороткие лазерные импульсы, средний инфракрасный диапазон спектра

Благодарность:

исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-22-00290

Коды OCIS: 140.0140, 240.0310

Список источников:

1. Jalali B., Fathpour S. Silicon photonics // J. Lightwave Technol. 2006. V. 24. № 12. P. 4600–4615. https://doi.org/10.1109/JLT.2006.885782
2. Margalit N., Xiang C., Bowers S.M., et al. Perspective on the future of silicon photonics and electronics // Appl. Phys. Lett. 2021. V. 118. № 22. https://doi.org/10.1063/5.0050117
3. Tokel O., Turnalı A., Makey G., et al. In-chip microstructures and photonic devices fabricated by nonlinear laser lithography deep inside silicon // Nat. Photonics. 2017. V. 11. № 10. P. 639–645. https://doi.org/10.1038/s41566-017-0004-4
4. Chambonneau M., Grojo D., Tokel О., et al. In-volume laser direct writing of silicon—challenges and opportunities // Laser & Photonics Rev. 2021. V. 15. № 11. С. 2100140. https://doi.org/10.1002/lpor.202100140
5. Wang X., Yu X., Berg M., et al. Nanosecond laser writing of straight and curved waveguides in silicon with shaped beams // J. Laser Appl. 2020. V. 32. № 2.https://doi.org/10.2351/1.5139973
6. Turnali A., Han M., Tokel O. Laser-written depressedcladding waveguides deep inside bulk silicon // JOSA B. 2019. V. 36. № 4. P. 966–970. https://doi.org/10.1364/JOSAB.36.000966
7. Chambonneau M., Li Q., Chanal M., et al. Writing waveguides inside monolithic crystalline silicon with nanosecond laser pulses // Opt. Lett. 2016. V. 41. № 21. P. 4875–4878. https://doi.org/10.1364/OL.41.004875
8. Zavedeev E.V., Kononenko V.V., Gololobov V.M., et al. Modeling the effect of fs light delocalization in Si bulk // Laser Phys. Lett. 2014. V. 11. № 3. P. 036002. https://doi.org/10.1088/1612-2011/11/3/036002
9. Bristow A.D., Rotenberg N., Van Driel H.M. Two-photon absorption and Kerr coefficients of silicon for 850–2200 nm // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 90. № 19. P. 191104. https://doi.org/10.1063/1.2737359
10. Lin Q., Zhang J., Piredda G., et al. Dispersion of silicon nonlinearities in the near infrared region // Appl. Phys. Lett. 2007. V. 91. № 2. P. 021111. https://doi.org/10.1063/1.2750523
11. Ионин А.А., Кудряшов С.И., Селезнев Л.В. и др. Термическое плавление и абляция кремния фемтосекундным лазерным излучением // ЖЭТФ. 2013. Т. 143. № 3. С. 403–422. https://doi.org/10.7868/S0044451013030012
Ionin A.A., Kudryashov S.I., Seleznev L.V., et al. Thermal melting and ablation of silicon by femtosecond laser radiation // JETP. 2013. V. 116. P. 347–362. https://doi.org/10.1134/S106377611302012X
12. Sokolowski-Tinten K., von der Linde D. Generation of dense electron-hole plasmas in silicon // Phys. Rev. B. 2000. V. 61. № 4. P. 2643. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.2643
13. Smirnov N.A., Kudryashov S.I., Rudenko A.A., et al. Pulsewidth and ambient medium effects during ultrashort-pulse laser ablation of silicon in air and water // Appl. Surf. Sci. 2021. V. 562. P. 150243. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.150243
14. Mareev E.I., Lvov K.V., Rumiantsev B.V., et al. Effect of pulse duration on the energy delivery under nonlinear propagation of tightly focused Cr: Forsterite laser radiation in bulk silicon // Laser Phys. Lett. 2019. V. 17. № 1. P. 015402. https://doi.org/10.1088/1612-202X/ab5d23
15. Гулина Ю.С. Измерение коэффициента двухфотонного поглощения ультракоротких лазерных импульсов с длиной волны 1030 nm на центрах окраски природного алмаза // Опт. и спектроск. 2022. Т. 130. № 4. C. 540–543. https://doi.org/10.21883/OS.2022.04.52269.60-21
Gulina Y.S. Measurement of two-photon absorption coefficient of 1030 nm ultrashort laser pulses on natural diamond color centers // Opt. and Spectrosc. 2023. V. 131. № 10. P. 986–989. https://doi.org/10.1134/S0030400X23100089
16. Chapple P.B., Staromlynska J., Hermann J.A., et al. Single-beam Z-scan: Measurement techniques and analysis // J. Nonlinear Opt. Phys. & Materials. 1997. V. 6. № 03. P. 251–293. https://doi.org/10.1142/S0218863597000204
17. Van Stryland E.W., Sheik-Bahae M. "Z-scan." Characterization techniques and tabulations for organic nonlinear optical materials. Routledge, 2018. 708 p.