автореферат диссертации по электронике, 05.27.03, диссертация на тему:Возбуждение волноводных мод в полупроводниках при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

4848291

на правах рукописи УДК 621.373.535

Дюкин Роман Владимирович

ВОЗБУЖДЕНИЕ ВОЛНОВОДНЫХ МОД В ПОЛУПРОВОДНИКАХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ФЕМТОСЕКУНДНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Специальность 05.27.03 - квантовая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г«*»*"*

Санкт-Петербург 2011 г.

4848291

Работа выполнена на кафедре лазерных технологий и экологического приборостроения инженерно физического факультета Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Яковлев Евгений Борисович

Научный консультант

кандидат физико-математических наук, доцент Шандыбина Галина Дмитриевна

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Вартанян Тигран Арменакович

профессор кафедры ОФиСЕ, заведующий лабораторией фотофизики поверхности Центра «Информационные оптические технологии» СПбГУ ИТМО

кандидат технических наук Смирнов Валентин Николаевич

генеральный директор ООО «НПП Лазерные технологии»

Ведущая организация: ОАО ЛОМО, г. Санкт-Петербург

Защита состоится 14 июня 2011 г. в 15 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.227.01 в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д.14, ауд. 314а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, д. 14

Автореферат разослан 12 мая 2011 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.01 кандидат технических наук, доцент

В.М. Красавцев

В настоящее время актуальным является вопрос объяснения механизма микроструктурирования поверхности под действием УКИ. В зависимости от ряда параметров, таких как материал, плотность мощности, число импульсов, и т.д., на поверхности могут образовываться различные микроструктуры -периодическая рябь, упорядоченная зернистая структура, микроколонны различной толщины и высоты. В основе механизма образования структур лежат процессы резонансного возбуждения поверхностных электромагнитных волн, интерференция которых с падающей волной приводит к пространственной модуляции энерговыделения, что посредством подходящего теплофизического механизма (например, испарения или теплового расширения) при наличии положительной обратной связи приводит к образованию периодического поверхностного рельефа.

Для понимания условий, необходимых для возбуждения волноводных мод, нужно в динамике решить задачу об изменении оптических свойств поверхности полупроводников и диэлектриков под действием УКИ, поэтому данная работа посвящена численному моделированию взаимодействия фемтосекундных импульсов с полупроводниками и диэлектриками, а так же возможности практического применения полученных расчетов.

Целью диссертационной работы является изучение механизмов, создающих условия для пространственно промодулированного поглощения энергии в кристаллическом кремнии и диэлектриках при воздействии УКИ.

Задачи исследования

1. Определить механизм изменения оптических свойств поверхности полупроводников и диэлектриков при воздействии УКИ,

2. Предложить физическую и математическую модель изменения оптических свойств поверхности полупроводников и диэлектриков при воздействии УКИ,

3. На основе предложенной модели провести численное моделирование процессов взаимодействия фемтосекундных импульсов с полупроводниками и диэлектриками,

4. Провести эксперимент по возбуждению волноводной моды в многослойных структурах, моделирующих пространственное распределение диэлектрической проницаемости.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. При фемтосекундном лазерном воздействии на полупроводники эмиссионные процессы приводят к сложной динамике пространственного распределения оптических свойств материала в приповерхностном слое. Влияют как процессы многофотонной эмиссии, так и термоэмиссия неравновесных электронов в электронной подсистеме среды.

2. Изменение оптических свойств среды, обусловленное изменением плазменной частоты неравновесных носителей способствует появлению новых динамических эффектов. При интенсивных ультракоротких воздействиях в ближней ИК-области в кремнии могут возбуждаться поверхностные поляритоны и волноводные моды, что не происходит при воздействии импульсов большей длительности.

3. Анализ условий возбуждения и распространения поверхностных электромагнитных волн позволяет выполнить фундаментальные исследования динамики процессов поглощения и нагрева в электронной подсистеме твердого тела.

Научная новизна работы

1. При анализе межзонного поглощения и поглощения на свободных электронах в широкозонных полупроводниках и диэлектриках для оценки сечений многофотонного поглощения использована модель поглощения через виртуальные уровни.

2. Ответственными за создание пространственного распределения диэлектрической проницаемости на поверхности полупроводников и диэлектриков при воздействии УКИ являются фото- и термоэмиссия электронов. В зависимости от режима воздействия поверхность может металлизироваться либо приобретать слоистую структуру диэлектрик -металл.

3. Адекватность расчетов изменения оптических свойств полупроводников и диэлектриков при воздействии УКИ подтверждена результатами модельного эксперимента по возбуждению волноводных мод на слоистых структурах с пространственным распределением диэлектрической проницаемости, полученным из решения задачи.

Практическая ценность

1. Предложена оценка сечений многофотонного поглощения на основе модели поглощения через виртуальные уровни.

2. Создана программа для анализа изменения оптических свойств поверхности полупроводников и диэлектриков при воздействии УКИ.

3. Показана возможность использования эффекта металлизации поверхности диэлектриков для создания модуляторов и переключателей излучения с фемтосекундным временем переключения.

Реализация результатов работы

Частично работа выполнялась в рамках гранта РФФИ № 09-02-00932-а

«Исследование условий возбуждения и распространения поверхностных плазмон-поляритонов и волноводных мод в металлах, полупроводниках и широкозонных диэлектриках при воздействии фемтосекундного лазерного излучения», 2009 - 2011 г, а так же по государственному контракту П1134 от 27 августа 2009 на выполнение поисковых научно-исследовательских работ для государственных нужд. Результаты работы использованы в курсах лекций для магистров.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих научных

конференциях и семинарах:

VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПб, 14-17 апреля 2009 г., Advanced laser technologies conference, Antalya, Turkey, 26/09/2009 - 01/10/2009, VI международной конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА-2009», СПб, 19 - 23 октября 2009 г., VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, СПб, 20-23 апреля 2010 г., "Фундаментальные основы лазерных микро- и нанотехнологий" (FLAMN-10), Санкт-Петербург, 28 июня - 2 июля 2010.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух

приложений. Материалы изложены на 134 страницах, включая 56 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 109 наименования на 12 страницах.

Личный вклад автора

1. При анализе межзонного поглощения и поглощения на свободных

электронах в широкозонных полупроводниках и диэлектриках для оценки сечений многофотонного поглощения использована модель поглощения через виртуальные уровни.

2. На основе предложенной модели разработана программа на языке программирования С++ для численного моделирования взаимодействия УКИ с полупроводниками и диэлектриками.

3. Собрана экспериментальная установка для возбуждения ПЭВ по методу Кречмана на основе метода синхронного детектирования сигнала. Проведены эксперименты по возбуждению плазмон-поляритонов и волноводных мод в различных многослойных структурах.

4. Предложены практические применения полученных результатов для создания модуляторов и переключателей излучения с фемтосекундным временем переключения.

Краткое содержание диссертации

Во введении сформулированы цели и задачи работы. Показана актуальность тематики.

В главе 1 представлены условия возникновения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), рассмотрены механизмы образовании поверхностных периодических структур (ППС), а так же образования ППС на металлах при действии УКИ. Проанализированы различные эксперименты по образованию ППС.

В разделе 1.1 дается общая информация по взаимодействию УКИ с веществом. Высказывается предположение о роли поверхностной электромагнитной волны в формировании ППС. Раздел 1.2 содержит условия возбуждения ПЭВ. Даётся описание квазичастиц плазмонов, а также условия их возбуждения.

В разделе 1.3 описаны основные механизмы образования ППС под действием УКИ. В начале раздела рассматриваются некоторые особенности, отличающие взаимодействие с веществом пикосекундных импульсов от фемтосекундных. Так, существенной особенностью режима сверхкоротких лазерных воздействий является отрыв температуры электронов проводимости от температуры кристаллической решетки, малость глубины модулированного прогрева. Поэтому исследование процессов образования периодических поверхностных структур в этих условиях исключительно важно для понимания физики взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов с конденсированными средами.

Вывод о том, что образованию периодической поверхностной структуры должен предшествовать этап формирования пространственно-модулированного поля температуры (запись температурной решетки) за счет неустойчивого процесса с положительной обратной связью за время г < т , является одним из ключевых моментов в разделе 1.3. После рассмотрения трех основных этапов формирования ППС описывается ряд экспериментов по образованию ППС на реальных поверхностях. Представлены результаты

для титана, кремния и плавленого кварца. Они описывают основные типы морфологии поверхности после облучения вещества УКИ.

Рассмотрены слоистые структуры показателя преломления, в которых возможно возбуждение волноводных мод. Представлено диффузионое уравнение (1), с соответствующими граничными условиями (2), на основе которого будет выполняться численное моделирование:

где Б - коэффициент амбиполярной диффузии; <Тее> - время межэлектронных столкновений, усредненное по энергии; 6 - глубина скин-слоя; а - коэффициент линейного межзонного поглощения. 1=АГо, .Го -плотность потока падающих квантов света, А - поглощательная способность.

Раздел 1.4 состоит из трех подразделов - воздействие УКИ на металлы, полупроводники и диэлектрики. Обсуждаются результаты экспериментального исследования формирования периодических структур под действием фемтосекундного излучения. Убедительное объяснение этого явления с помощью представлений о поляритонно-волноводным механизме микроструктурирования поверхности значительно продвинуло понимание механизмов и закономерностей воздействия лазерного излучения на конденсированное вещество.

В разделе 1.5 дается полная постановка задачи.

В главе 2 представлены физико-математические модели процесса ультракороткого фотовозбуждения полупроводника по мере их усложнения. Последовательный подход позволил проводить направленную корректировку вычислений и приблизить количественные оценки к экспериментальным данным.

Э2ЛГ N

(1)

(|г=0

(2)

В разделе 2.1 приводиться модель Друде для расчета концентрации неравновесных носителей.

Раздел 2.2 рассматривается динамика концентрации неравновесных электронов в металлах. Показана роль электронной эмиссии [1]. Возникновение эмиссионных потоков может оказывать определяющее влияние на разрушение прозрачных сред под действием ультракоротких лазерных импульсов [2]. Исследование электронной эмиссии под действием фемтосекундных импульсов на серебряные и золотые островковые пленки [3] позволило выделить различные эмиссионные механизмы: многофотонную фотоэмиссию и термоэлектронную эмиссию или термически подготовленную многофотонную фотоэмиссию.

Эмиссионные явления играют важную роль при действии УКИ на вещество. Приповерхностный слой материала, толщиной порядка длины свободного пробега электронов, за счет термо- и фотоэмиссии приобретает другие значения диэлектрической проницаемости. Все эти эффекты необходимо учитывать для правильной оценки процессов, происходящих при взаимодействии УКИ с веществом.

В разделе 2.3 описывается модель двухфотонного процесса фотофозбуждения полупроводника с учетом внешней эмиссии.

Проведенные экспериментальные исследования по воздействию фемтосекундных импульсов на полупроводники и диэлектрики [4, 5] показали, что концентрация генерируемых под действием лазерного излучения неравновесных носителей оказывается столь высокой, что приповерхностный слой приобретает в течение импульса свойства металла. Для описания процессов взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов с полупроводниками можно использовать тот же подход, что и для металлов. При этом процессы фотофозбуждения можно рассматривать раздельно от процессов рекомбинации неравновесных носителей и разогрева решетки, т.к. соответствующие характерные времена этих процессов существенно превышают длительность импульса. Важным в этом случае

становится факт многофотонного поглощения, и чем шире запрещенная зона, тем большее число квантов должно участвовать в одном акте поглощения.

В разделе 2.4 приведена модель фемтосекундной динамики оптических свойств полупроводника с учетом эмиссионных явлений различного типа.

Рассчитывается пространственно-временное распределение концентрации неравновесных электронов Щг, 0, позволяющее оценить на основе дисперсионной теории оптических свойств плазменную частоту электронного газа и проследить динамику диэлектрической

проницаемости (е) в приповерхностной области материала. Температура электронного газа (Те) оценивается из уравнений теплопроводности для двухтемпературной модели и учитывается в процессах поверхностной термоэмиссии (Р,). Теплоемкость электронного газа является функцией концентрации неравновесных электронов и температуры электронного газа.

В моделе также рассматривается влияние двухфотонной внешней фотоэмиссии в процессе фотовозбуждения полупропроводника. При фотоионизации атома используется представление о переходах электронов по виртуальным состояниям, время жизни (Т„) в которых определяется из соотношения неопределенности энергия - время [6].

Основное внимание направлено на изменение дифференциальной характеристики - коэффициента поглощения и его составляющих. Так в распределении интенсивности излучения в глубину участвует полный коэффициент поглощения (а2ры + ае + с^о)- Увеличение концентрации неравновесных электронов связано с коэффициентом двухфотонного межзонного поглощения а2ры, а рост температуры электронного газа обусловлен коэффициентом поглощения на неравновесных электронах (ае). При расчете ае нами используется представление о виртуальных состояниях электрона и учитывается двухфотонное поглощение.

Математическая модель двухфотонного процесса фотофозбуждения полупроводника с учетом внешней фото-, термоэмиссии представляет собой

систему дифференциальных уравнений с соответствующими граничными и начальными условиями.

Используется диффузионное приближение. Концентрация неравновесных электронов изменяется во времени и в глубину за счет поглощения квантов света, диффузии и постепенной термализации в результате межэлектронных столкновений. На поверхности учитывается уход электронов за счет явлений эмиссии. Учтена фотоэмиссия при двухфотонном поглощении квантов свободными электронами. Термоэмиссия электронов описана в соответствии с законом Ричардсона. Температура электронного газа определяется по двухтемпературной модели с учетом зависимости параметров от температуры.

В результате решения задачи получена концентрация свободных электронов, по которой можно оценить плазменную частоту электронного газа (3) и пространственно-временное изменение диэлектрической проницаемости полупроводника (4):

ю = ММ?.2

(3)

£ = £'+1е"Е' = Е_--5-р--те' =-^-" ' , (4)

<02 + (1 /<гее>)2 й*®2+(1/<Г„>)2) ;

В разделе 2.5 приведен алгоритм численного моделирования. Показаны основные массивы данных, которые необходимо рассчитать в программе для полного анализа взаимодействия УКИ с полупроводниками.

Раздел 2.6 посвящен результатам моделирования. Приведены основные графики, иллюстрирующие искомую динамику оптических свойств полупроводника. Каждый график содержит описание.

Ключевые выводы из полученных результатов представлены в разделе 2.7. В частности, результаты моделирования показали наличие слоистой структуры показателя преломления. Подобная структура есть не что иное, как волновод. В таком волноводе может возбуждаться волноводная мода. Интерференция падающего излучения с ней приводит к пространственно

ю

промодулированной температурной решетке электронного газа, которая необходима для получения микроструктур на поверхности.

В третьей главе проводится численное исследование динамики оптических свойств диэлектрика при действии УКИ. Описано многофотонное поглощение, а так же механизмы изменения оптических свойств диэлектриков под действием УКИ. Исходя из полученных результатов, сделаны выводы.

В разделе 3.1 показан расчет многофотонного поглощения, основанный на возбуждении электронов на промежуточные виртуальные уровни.

Основные механизмы генерации неравновесных носителей в диэлектриках описаны в разделе 3.2. Эти механизмы - ударная ионизация и фотоионизация. Описаны условия преобладания того, или иного механизма.

В разделе 3.3 приведены и описаны основные выводы, полученные при численном моделировании взаимодействия УКИ с плавленным кварцем. Приведены основные графики, отражающие ключевые особенности динамики оптических свойств диэлектрика. Графики сопровождаются описанием.

В разделе 3.4 сделаны выводы, исходя из полученных результатов. Показаны и объяснены основные отличия результатов моделирования для диэлектриков от полупроводников.

Глава 4 посвящена экспериментальному моделированию условий возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов и волноводных мод.

В разделе 4.1 описаны основные проблемы возбуждения поверхностных электромагнитных волн. Далее, в разделе 4.2 дается функциональная схема экспериментальной установки.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. 1 - лазер, 2 - светофильтр, 3 - модулятор. 4 - полупрозрачное зеркало, 5 - призма, на угловой подвижке, 6 - зеркало, 7 - фотоприемник ФП1, 8 - синхронный детектор, 9 -фотоприемник ФП2, 10 - осциллографическая приставка УеНетап НР8-40.

Описаны принцип работы установки и синхронный детектор. Описан расчет возбуждения поверхностных электромагнитных волн по формулам Френеля.

Раздел 4.3 посвящен результатам эксперимента, а так же обсуждению полученных результатов. Численное моделирование показало, что при воздействии УКИ на вещество, из-за большой плотности квантов излучения, значительны эмиссионные процессы на поверхности. В главах 2 и 3 показана важная роль термо- фотоэмиссии для образования слоистой структуры показателя преломления. Однако данное распределение показателя преломления можно смоделировать. Для этого были изготовлены образцы следующего типа: на поверхность диэлектрика нанесен слой серебра, толщиной 50 нм и 55 нм, а на металл нанесен диэлектрик, толщиной ~ 100 нм. Второй тип образцов - золото, толщиной 50 нм, нанесенное на диэлектрик. Получается, что мы моделируем слоистую структуру, возникающую при воздействии УКИ на полупроводники и диэлектрики. Облучая подобную структуру лазерным излучением, удовлетворяющим дисперсионному соотношению, стоит ожидать возбуждения поверхностных электромагнитных волн.

Выводы приведены в разделе 4.4. Проведенные эксперименты показали, что в слоистых структурах типа диэлектрик-металл-диэлектрик происходит возбуждение волноводной моды. Эффективность преобразования зависит от параметров лазерного излучения, а так же от толщины металлического слоя на образце.

В структуре 8Ю2-А£-К8 возбуждение поверхностного плазмон-поляритона для р-поляризации не происходит. Однако переход к б-поляризация позволяет наблюдать резонанс и в этой структуре. Появление резонанса можно интерпретировать возбуждением волноводной моды ТЕ-типа. Этот образец иммитирует многослойное динамическое распределение диэлектрической проницаемости с минимальным значением в глубине, соответствующее фемтосекундному фотовозбуждению полупроводника с участием фото- и термоэмиссии.

Результаты измерений возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов для двух конфигураций образцов, моделирующих различное распределение диэлектрической проницаемости приведены, на рис. 2:

43 44 45 45 47 46 49 50 51 52

Угол падения, градусы

Рис. 2. Зависимость интенсивности отраженного излучения от угла падения на образец согласно экспериментам.

Экспериментально подтверждено, что в решаемой модельной задаче для фемтосекундных лазерных импульсов возможно возбуждение

волноводных мод, т.к. при моделировании распределения диэлектрическом проницаемости в многослойных структурах происходит преобразование падающего излучения в волноводную моду.

Глава 5 посвящена обзору практического применения поверхностных электромагнитных возбуждений. Глава разделена на 3 части. В параграфе 5.1 отражены реальные разработки, которые в том, или ином виде внедрены в науке и технике. Параграф 5.2 показывает области возможного применения в технологиях будущего. В параграфе 5.3 высказаны перспективные идеи, которые могут найти свое применение в плазменных устройствах. Идеи основаны на результатах моделирования, и показывают совершенно иной подход к плазмонным устройствам, в которых свет управляет светом.

На рис. 3 схематически изображены процессы, происходящие при действии УКИ на диэлектрик. Лазер 1 включен, при этом излучение проходит через оптически прозрачный для данной длинны волны диэлектрик (а). После облучения диэлектрика фемтосекундным импульсом очень быстро концентрация неравновесных носителей достигает значений порядка концентрации в металлах. После металлизации диэлектрик ведет себя как зеркало, и излучение не проходит (б,в).

1

а)

б)

в)

,//Фс V/

а)

О"

б)

Рис. 3. Схема оптического модулятора с использованием УКИ. 1 - лазер, 2 - диэлектрическая среда.

Рис. 4. Схема оптического триггера. 1 - лазер, 2 диэлектрик, 3 - фотоприемник.

Время металлизации диэлектрика зависит от ряда параметров, как выбранного материала, так и используемых УКИ. Основной критерий для выбора этих параметров - после облучения УКИ не должно происходить разрушения материала, но в любом случае, время металлизации будет измеряться в фемтосекундах.

На рис. 4 изображена принципиальная схема оптического триггера. При включенном лазере 1, в случае отсутсвия УКИ излучение проходит сквозь диэлектрик 3 (прозрачный для данной длинны волны), и на фотопремнике 3 сигнал отсутствует. После того, как на диэлектрик падает УКИ в нем, за счет процессов, описанных выше, происходит металлизация и свет, отражаясь, от приповерхностного слоя в диэлектрике попадает на фотоприемник. В результате на фотоприемнике сигнал меняется с «О» на «1».

В заключении дано общее описание полученных результатов, а так же показана научная новизна, актуальность и практическая ценность работы.

Основные выводы и результаты работы:

1. Разработаны физическая и математическая модели изменения оптических свойств поверхности полупроводников и диэлектриков при воздействии УКИ, в которых учитываются: межзонное поглощение, поглощение на свободных электронах, термо- и фотоэмиссия, диффузия и термализация свободных электронов.

2. Разработана программа численного решения задачи об изменении оптических свойств поверхности полупроводников и диэлектриков при воздействии УКИ. Результаты решения показали, что существуют режимы воздействия УКИ на полупроводники и диэлектрики, при которых возникают условия для возбуждения волноводной моды.

3. Предложен и проведен модельный эксперимент подтвердивший, что в слоистых структурах с пространственным распределением

диэлектрической проницаемости аналогичным возникающим при действии УКИ, возбуждаются именно волноводные моды.

4. Предложены конструкции модуляторов и переключателей излучения с фемтосекундным временем переключения.

Благодаря численному моделированию сделаны оценки изменения оптических свойств поверхности под действием УКИ. Было показано, что существенную роль играют эмиссионные процессы. В модельной задаче разделены процессы фото- и термоэмисси, показан отдельный вклад этих механизмов. Результатом моделирования является подтверждение предложенной модели образования ППС. А именно показано, что в процессе взаимодействия УКИ с веществом создаются условия для возбуждения волноводной моды, интерференция которой с падающим излучением и приводит к образованию температурной решетки, необходимой для образования ППС.

Был проведен эксперимент, в котором исследовалось возбуждение волноводной моды в структуре диэлектрик - металл - диэлектрик. Численное моделирование показало, что в результате эмиссионных процессов образуется слоистая структура показателя преломления. Были изготовлены многослойные образцы, в которых толщины пленок примерно соответствуют слоям с измененным показателем преломления, повторяя слоистую структуру, полученную в результате численного моделирования. В ходе эксперимента показано, что в структурах диэлектрик - металл - диэлектрик изменение интенсивности прошедшего через образец сигнала, обнаружено только при в-поляризации, что соответствует возбуждению волноводной моды, а в структурах диэлектрик - металл происходит возбуждение плазмон-поляритонов.

Показанная в главе 5 практическая ценность работы, а так же предложенные перспективные идеи, основанные на полученных результатах, делают работу актуальной на сегодняшний день.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах по перечню ВАК:

1. Г.А. Марциновский, Г.Д. Шандыбина, Ю.С. Дементьева, Р.В. Дюкин, C.B. Заботнов, JI.A. Головань, П.К. Кашкаров. Возбуждение поверхностных электромагнитных волн в полупроводниках при фемтосекундном лазерном воздействии // Физика и техника полупроводников, №10,2009 г.

2. Р.В. Дюкин, Г.А. Марциновский, Г.Д. Шандыбина, Е.Б. Яковлев Электрофизические явления при фемтосекундных воздействиях лазерного излучения на полупроводники // Оптический журнал, т. 78, в. 2, 2011, стр.8-13.

Другие публикации:

1. Р.В. Дюкин, Ю.С. Дементьева. Фемтосекундное лазерное возбуждение поверхностных электромагнитных волн ТЕ-типа // Научно -технический вестник СПбГУИТМО №49, Оптотехника, оптические материалы. Труды молодых ученых. 2008 г., СПб., стр. 228-234.

2. Дюкин Р.В. Численный расчет концентрации неравновесных носителей при действии ультракоротких импульсов // тезисы доклада на VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПб, 14 -17 апреля 2009 г.

3. Е.В. Yakovlev, G.D. Shandybina, GA. Martsinovsky, R.V. Dukin. Manifestation of electrophysical phenomena under femtosecond laser action on semiconductor // materials of Advanced laser technologies conference, Antalya, Turkey, 26/09/2009 - 01/10/2009, p. 31.

4. Дюкин Р.В. Исследование поглощения на неравновесных электронах при воздействии фемтосекундных импульсов на широкозонные полупроводники // труды VI международной конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА-2009», СПб, 19 - 23 октября 2009 г.

5. Дюкин Р.В. Моделирование процесса генерации неравновесных носителей при действии ультракоротких импульсов на металлы,

полупроводники и диэлектрики // тезисы доклада на VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, СПб, 20-23 апреля

6. R.V. Dyukin, Е.В. Yakovlev, G.A. Martsinovsky, G.D. Shandybina, I.D. Nikiforov. Investigation of femtosecond excitation conditions of surface polarisation TM- and ТЕ- cavity in model structures // Труды международной конференции FLAMN-10, Санкт-Петербург, 28 июня -2 июля 2010, р. 43.

7. R.V. Dyukin, G.A. Martsinovskiy, I.Yu. Khvan, G.D. Shandybina, E.B. Yakovlev, I.D. Nikiforov Femtosecond dynamics of optical properties of semiconductor // Proceedings of SPIE, V.7996-OP, [7996-24], 2011.

Список использованной литературы:

1. М.НЛибенсон // Неравновесный нагрев и остывание металла при воздействии сверхкороткого лазерного импульса// Изв. РАН., сер. физ., 65, в.4,2001, стр. 515-519.

2. Gruzdev V.E., Komolov V.L., Przhibelskii S.G., Smirnov D.S. Destruction of the nano-size solid particles under femtosecond laser pulse action // Proc. SPIE, v.6596, p. 65960P-(l-8), 2007.

3. Gloskovskii A., Valdaitsev D.A., Cinchtti M., Nepijko S.A., Lange J., Aeschlimann M., Bauer M., Klimenkov M., Viduta L.V., Tomchuk P.M., Schônhese G. Electron emission from films of Ag and Au nanoparticles exciled by a femtosecond pump-probe laser // Physical Review B, v. 77, p. 195427-(1-11), 2008.

4. J.E.Carey, C.H. Ping, E.Mazur // For New Optoelectronics Applications // Optics&Photonics News, 14,2,2003, pp.32-36.

5. Y. Shimosuma, P.G. Kazansky, J.R. Qin, K. Hirao // Self-organized nanogratings in glass irradiated by ultrashort light pulses // Phys. Rev. Lett., 91, p. 247405,2003.

6. Делоне H. Б. // Многофотонные процессы // Соросовский образовательный журнал, №3,1996, стр. 75-81.

2010 г.

Подписано в печать 11.05.2011г. Формат А5, цифровая печать Тираж 110шт. Отпечатано в ЦОП «Копицентр Василеостровский» Россия, г.Санкт-Петербург, В.О.,6-линия, д.29. тел./факс: 328-61-84 e-mail: vs@copy.spb.ru

Введение. Актуальность работы, постановка цели и задач работы.

1.ктурирование поверхностности под действием лазерного излучения (обзор литературы).

1.1 Экспериментальные исследования формирования периодических структур.

1.2 Условия возникновения поверхностных электромагнитных волн.

1.3 Поляритонный механизм микроструктурирования поверхности.

1.4 Экспериментальные исследования фемтосекундного формирования периодических структур.

1.4.1 Формирования периодических структур при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на металлы.

1.4.2 Формирования периодических структур при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на полупроводники.

1.4.3 Формирования периодических структур при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на диэлектрики.".

1.5 Постановка задачи.

2. Физико-математические модели процесса ультракороткого фотовозбуждения полупроводника с учетом влияния поверхностных электрофизических явлений.

2.1. Концентрация неравновесных носителей по модели Друде.

2.2. Фемтосекундная динамика концентрации неравновесных электронов в металлах.

2.3. Модель двухфотонного процесса фотофозбуждения полупроводника с учетом внешней эмиссии.

2.4. Фемтосекундная динамика оптических свойств, полупроводника с учетом эмиссионных явлений различного типа.

2.5 Алгоритм численного моделирования процессов фотовозбуждения полупроводника.

2.6 Результаты численного моделирования фемтосекундного фотовозбуждения кремния.

2.7 Выводы.

3. Исследование динамики оптических свойств диэлектрика при действии ультракоротких лазерных импульсов.

3.1 Механизмы изменения оптических свойств поверхности, стимулируемые ультракороткими лазерными импульсами.

3.2 Многофотонное поглощение.

3.3 Анализ воздействия ультракоротких лазерных импульсов на диэлектрики

3.4 Выводы.

4. Экспериментальное моделирование условий возбуждения поверхностных плазмон-поляритонов и волноводных мод.

4.1 Проблемы возбуждения поверхностных электромагнитных волн.

4.2 Функциональная схема экспериментальной установки поверхностного плазмонного резонанса по методу Кречмана.

4.2.1 Синхронный детектор. Принцип работы.

4.2.2 Проверка работоспособности установки.

4.2.3 Расчет по формулам Френеля.

4.3 Экспериментальные результаты, их обсуждение.

4.4 Выводы.

5. Практическое применение.

5.1 Реальные разработки.

5.2 Перспективные идеи.

5.3 Ультракороткие импульсы в плазмонике.

работы.

Генерация лазерного излучения в виде импульсов предельно* малой длительности открывает пути создания лазеров, обладающих очень высокой интенсивностью излучения. С помощью таких лазеров можно получить концентрацию энергии, сравнимую с концентрацией энергии при ядерном взрыве. Другим обстоятельством, мотивирующим развитие лазеров ультракоротких импульсов (УКИ), является необходимость измерения предельно коротких интервалов времени, что позволяет исследовать различные быстропротекающие процессы.

Уникальные характеристики излучения лазеров УКИ обуславливают их многочисленные применения в фундаментальной науке, технике и медицине. Благодаря исключительно малой длительности импульсов излучения удается^ исследовать сверхбыстрые релаксационные процессы в микромире, для которых фемтосекунда является естественным масштабом времени. Огромные интенсивности в сфокусированных пучках и связанные с нею напряженности электрических и магнитных полей дают возможность изучать процессы взаимодействия света с веществом в режимах, прежде недоступных для экспериментаторов.

Постоянно возрастающий научный интерес к поверхностным электромагнитным волнам (ПЭВ) оптического диапазона определяется тем, что по мере исследований оказывается, они играют определяющую роль во многих явлениях и эффектах, связанных с взаимодействием лазерного излучения с поверхностью. Благодаря значительной локализации поля поверхностной электромагнитной волны вблизи границы, даже при слабом энергетическом преобразовании в нее падающего когерентного излучения происходит существенное перераспределение напряженности светового поля у поверхности и его заметное усиление по сравнению с полем падающей волны. Идеи о подобном электродинамическом усилении светового поля существенным образом расширили представления об оптике- поверхности и позволили объяснить такие явления как гигантское комбинационное рассеяние, рассеяние света адсорбированными частицами, генерацию второй гармоники при» отражении света от металлов, образование в результате интерференции падающего излучения и поверхностной электромагнитной волны периодических структур при лазерной обработке металлов и полупроводников.

Среди многочисленных явлений, связанных со взаимодействием света с поверхностью, особое место занимают поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) или поверхностные поляритоны [1-5]. Большой интерес к ПЭВ определяется тем, что они играют заметную роль во многих эффектах в широком диапазоне условий взаимодействия светового излучения с поверхностью: начиная от оптического пробоя [4] и заканчивая аномально высоким оптическим пропусканием массивов отверстий с размерами меньше длины волны света [6].

Традиционный подход к локализации и управляемому распространению светового излучения на микромасштабах основан на использовании волноводных свойств структур с градиентом показателя преломления. Однако, по мере уменьшения размеров устройств для генерации и обработки оптических сигналов возникает необходимость в дальнейшем повышении степени локализации света, которое обычные оптические волноводы обеспечить уже не могут. Другим подходом к решению проблемы локализации излучения в нанооптике является использование ПЭВ в структурах с фотонными зонами (photonic bànd gap structures, PBGS) [7], где в результате интерференции света, многократно рассеянного на периодических наноструктурах, происходит его локализация и появляется возможность его направляемого распространения на субмикронных масштабах. Большой интерес, вызванный использованием таких поверхностных структур, определяется тем, что они достаточно просты с точки зрения^ технологии их 6 изготовления и достаточно легко интегрируются с другими оптоэлектронными элементами.

Многочисленные экспериментальные работы указывают на формирование упорядоченных микро-, наноструктур на поверхности металлов, полупроводников или диэлектриков под воздействием фемтосекундных импульсов. Несмотря на принципиальные различия в строении облучаемых сред большая часть экспериментально полученных поверхностных структур отвечают одним и тем же закономерностям, а именно, зависимости ориентации структур от направления поляризации (точнее, от тангенциальной проекции вектора электрического поля лазерного излучения) и зависимости периода структур от длины волны лазерного излучения, угла падения и диэлектрической проницаемости среды. В этом случае можно утверждать, что механизм формирования подобных структур определяется электромагнитным полем, а именно, интерференцией падающей волны с возбуждаемым на поверхности среды электромагнитными волнами.

Взаимодействие фемтосекундных лазерных импульсов с конденсированными средами имеет ряд особенностей по сравнению со случаем более длительных лазерных импульсов. Во-первых, поскольку длительность импульса меньше, чем характерные времена электрон-фононной релаксации, то > процессы фотовозбуждения электронов и выделение поглощенной энергии решетке оказываются разделенными во времени [8,9]. Во-вторых, в указанных условиях высокая интенсивность лазерного излучения приводит к развитию дополнительных нелинейных оптических процессов, приводящих к существенному изменению состояния электронной подсистемы и оптических свойств среды. Установлено, что во всех материалах мощный сверхкороткий световой импульс инициирует сверхбыстрые фотоиндуцированные фазовые переходы в новое кристаллическое или аморфное состояние. Более того, в самых современных лазерных установках тераваттного уровня мощности эффект металлизации диэлектриков используется для существенного повышения контраста излучения.

В металлах всегда есть свободные электроны, способные поглощать, в то время как в полупроводниках и диэлектриках электроны генерируются в результате воздействия самого лазерного импульса. Время последующего нагрева фононной подсистемы зависит от свойств материала и лежит в пикосекундном диапазоне [9, 10]. Очень высокие скорости нагрева решетки (порядка нескольких сотен градусов за пикосекунду) могут быть легко достигнуты при использовании лазерных импульсов достаточно высокой мощности. В течение нескольких пикосекунд кристалл может быть нагрет до температур, существенно превышающих температуру плавления Тп [11].

Обработка материалов ультракороткими импульсами - важное технологическое применение лазеров. Лазерная обработка материалов основана, как правило, на локальном тепловом воздействии и последующей абляции. Естественно, что наименьшие размеры пятна фокусировки определяются длиной волны, и поэтому для микрообработки с успехом применяются эксимерные лазеры УФ диапазона. Однако их излучение сильно поглощается во многих прозрачных материалах, что делает возможной обработку только поверхности. Для лазеров с X < 200 нм (АгР-лазер с А=193 нм) возникает также проблема радиационного повреждения фокусирующей оптики. Исследования показали, что с помощью УКИ можно производить не только поверхностную, но и объемную микрообработку (в случае прозрачных материалов) с точностями не хуже достигнутой при использовании эксимерных лазеров, но, в отличие от них, с помощью оптики видимого диапазона [12].

Особенностью лазеров УКИ является высокая интенсивность, благодаря которой резко возрастает роль многоквантовых процессов. Это обстоятельство, а также исключительно малая продолжительность воздействия фундаментально изменяют механизм взаимодействия излучения с веществом. В случае УКИ, i! f благодаря их высокой интенсивности, свободные электроны в полупроводниках и прозрачных диэлектриках производятся многофотонной ионизацией. Поэтому ; при достаточно высокой интенсивности нет статистического разброса в порогах пробоя и, следовательно, пробой и вложенную в среду энергию можно точно У контролировать. Вследствие высокой напряженности электромагнитного поля электроны разогреваются до больших температур, а затем, уже после окончания импульса, происходит последующая передача энергии от электронов к ионам. Поскольку температура электронов очень высока, температура ионов также может стать большей, чем при использовании длинного импульса. Большая доля вещества будет испаряться внутри фокального объема, очень быстро проходя фазу плавления. Из-за того что в процессе абляции в жидкую фазу вовлечено меньше вещества, исчезают капли расплава и граница обработки становится резкой. В экспериментах [13] были получены отверстия диаметром 0.3 мкм в пленке серебра и менее 1 мкм в плавленом кварце, хотя импульсы от Ti:sapphire лазера на длине волны 790 нм (х = 200 фс) в первом , случае фокусировались в пятно диаметром 3 мкм, а во втором (т = 60 фс) - в пятно диаметром 5 мкм. Столь малые размеры отверстий (меньше дифракционного предела) обусловлены точным контролем интенсивности УКИ и достижением порога абляции в малой области в центре фокального пятна. Для таких применений требуются лазеры .УКИ с большой средней мощностью.

В настоящее время кристаллический кремний (c-Si) является основным материалом современной полупроводниковой микроэлектроники и, по всей видимости, останется таковым в течение следующих десятилетий. Однако стремительно происходящая миниатюризация современных интегральных схем и оптических систем требует нахождения новых путей наноструктурирования c-Si [14]. Помимо традиционно используемых литографических технологий существуют и другие пути высокоточной обработки кристаллического кремния. Одним из таких методов является обработка поверхности мощными сверхкороткими лазерными импульсами длительностью менее 100 фс 9

15,16,17]. В этом случае, за счет разделения во времени процессов поглощения излучения в веществе и передачи поглощенной энергии решетке происходит значительное уменьшение области термического воздействия, что в,результате обеспечивает высокое качество структур, формирующихся при фемтосекундном лазерном воздействии.

При наноструктурировании поверхности кремния импульсами наносекундной длительности в видимом и ближнем ИК - диапазонах условия распространения поверхностной электромагнитной волны возникают только после плавления его поверхности. При воздействии УКИ, когда процессы поглощения излучения в веществе и передачи поглощенной энергии решетке разделены во времени, таких условий возникнуть не может. Однако экспериментально такие структуры получены [18, 19]. То есть при воздействии УКИ на с-Б! создаются условия для образования пространственно промодулированного поглощения энергии, и как следствие - появление микронаноструктур на поверхности.

Изучение особенностей возбуждения и распространения поверхностных электромагнитных возмущений при сверхкоротких воздействиях представляет большой научный и практический интерес. Практические перспективы направления- связаны с возможностью модификации морфологии и структуры поверхности, в том числе путем формирования на его поверхности упорядоченных микро- и наноструктур [19, 20, 21]. Поверхностные электромагнитные волны (ПЭВ) не только участвуют в структурировании поверхности полупроводника, но и способствуют локализации излучения, появляется возможность направляемого распространения излучения в структурах с фотонными зонами, что необходимо для оптоэлектроники и телекоммуникационных систем. В свою очередь такие индуцированные поверхностные структуры несут в себе ценную информацию о возбуждении и эволюции поверхностных возбуждений. К примеру, особенности влияния ПЭВ на силовое действие лазерного излучения имеют существенное практическое

10 значение для получения фотонных структур на основе плазмонов [22]. Другое направление связано с. управлением поглощательной способностью и характером распределения интенсивности света у поверхности при генерации ПЭВ путем изменения только поляризационных характеристик излучения. К примеру, это находит применение в фотоосаждении материалов ультракоротким лазерным пучком.

Целью диссертационной работы является изучение механизмов, создающих условия для пространственно промодулированного поглощения энергии в кристаллическом кремнии и диэлектриках при воздействии УКИ.

Для этого необходимо решить следующие задачи: определить механизм изменения оптических свойств поверхности, полупроводников и диэлектриков при воздействии УКИ, предложить физическую и математическую модель изменения оптических свойств поверхности полупроводников и диэлектриков при воздействии УКИ, на основе предложенной модели провести численное моделирование процессов взаимодействия фемтосекундных импульсов с полупроводниками и диэлектриками, провести эксперимент по возбуждению волноводной моды в многослойных структурах, моделирующих пространственное распределение диэлектрической проницаемости.

Методами исследования являются: численное моделирование процессов взаимодействия УКИ с веществом, экспериментальное исследование возбуждения волноводной моды в многослойных структурах.

Практическая ценность

1. Предложена оценка сечений многофотонного поглощения на основе модели поглощения через виртуальные уровни.

2. Создана программа для анализа изменения оптических свойств поверхности полупроводников и диэлектриков при воздействии УКИ.

3. Показана возможность использования эффекта металлизации поверхности диэлектриков для создания модуляторов и переключателей излучения с фемтосекундным временем переключения.

Научная новизна работы

1. При анализе межзонного поглощения и поглощения на свободных электронах в широкозонных полупроводниках и диэлектриках для оценки сечений многофотонного поглощения использована модель поглощения через виртуальные уровни.

2. Ответственными за создание пространственного распределения диэлектрической проницаемости на поверхности полупроводников и диэлектриков при воздействии УКИ являются фото- и термоэмиссия электронов. В зависимости от режима воздействия поверхность может металлизироваться либо приобретать слоистую структуру диэлектрик - металл.

3. Адекватность расчетов изменения оптических свойств полупроводников и диэлектриков при воздействии УКИ- подтверждена результатами модельного эксперимента по возбуждению волноводных мод на слоистых структурах с пространственным распределением диэлектрической проницаемости, полученным из решения задачи.

Основные научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. При фемтосекундном лазерном воздействии на полупроводники эмиссионные процессы приводят к сложной динамике пространственного распределения оптических свойств материала в приповерхностном слое.

Влияют как процессы многофотонной эмиссии, так и термоэмиссия неравновесных электронов в электронной подсистеме среды.

2. Изменение оптических свойств среды, обусловленное изменением плазменной частоты неравновесных носителей способствует появлению новых динамических эффектов. При интенсивных ультракоротких воздействиях в ближней ИК-области в кремнии могут возбуждаться поверхностные поляритоны и волноводные моды, что не происходит при воздействии импульсов большей длительности.

3. Анализ условий возбуждения и распространения поверхностных электромагнитных волн позволяет выполнить фундаментальные исследования динамики процессов поглощения и нагрева в электронной подсистеме твердого тела.

Личный вклад автора

1. При анализе межзонного поглощения и поглощения на свободных электронах в широкозонных полупроводниках и диэлектриках для оценки сечений многофотонного поглощения использована модель поглощения через виртуальные уровни.

2. На основе предложенной модели разработана программа на языке программирования С++ для численного моделирования взаимодействия УКИ с полупроводниками и диэлектриками.

3. Собрана экспериментальная установка для возбуждения ПЭВ по методу Кречмана на основе метода синхронного детектирования сигнала. Проведены эксперименты по возбуждению плазмон-поляритонов и волноводных мод в различных многослойных структурах. I

4. Предложены практические применения полученных результатов для создания модуляторов и переключателей излучения с фемтосекундным временем переключения/ >

Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:

VI Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПб, 1417 апреля 2009 г., Advanced laser technologies conference, Antalya, Turkey, 26/09/2009 - 01/10/2009, VI международной конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА-2009», СПб, 19-23 октября 2009 г., VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, СПб, 20-23 апреля 2010 г., "Фундаментальные основы лазерных микро- и нанотехнологий" (FLAMN-10), Санкт-Петербург, 28 июня - 2 июля 2010.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах по перечню ВАК;

1. Г.А. Марциновский, Г.Д. Шандыбина, Ю.С. Дементьева, Р.В. Дюкин, С.В. Заботнов, JI.A. Головань, П.К. Кашкаров // Возбуждение поверхностных электромагнитных волн в полупроводниках при фемтосекундном лазерном воздействии // Физика и техника полупроводников, №10, 2009 г.

2. Р.В. Дюкин, Г.А. Марциновский, Г.Д. Шандыбина, Е.Б. Яковлев// Электрофизические явления при фемтосекундных воздействиях лазерного излучения на полупроводники // Оптический журнал, т. 78, в. 2, 2011, стр.8-13.

Другие публикации:

1. Р.В. Дюкин, Ю.С. Дементьева // Фемтосекундное лазерное возбуждение поверхностных электромагнитных волн ТЕ-типа // Научно - технический вестник СПбГУИТМО №49, Оптотехника, оптические материалы. Труды молодых ученых. 2008 г., СПб., стр. 228-234.

2. Р.В. Дюкин // Численный расчет концентрации неравновесных носителей при действии ультракоротких импульсов // тезисы доклада на VI

14

Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, СПб, 14-17 апреля 2009 г.

3. Е.В. Yakovlev, G.D.' Shandybina, G.A. Martsinovsky, R.V. Dukin // Manifestation of electrophysical phenomena under femtosecond laser action on semiconductor // materials of Advanced laser technologies conference, Antalya, Turkey, 26/09/2009 - 01/10/2009, p. 31.

4. Дюкин P.B. // Исследование поглощения на неравновесных электронах при воздействии фемтосекундных импульсов на широкозонные полупроводники // труды VI международной конференции молодых ученых и специалистов «ОПТИКА-2009», СПб, 19 - 23 октября 2009 г.

5. Дюкин Р.В. // Моделирование процесса генерации неравновесных носителей при действии ультракоротких импульсов на металлы, полупроводники и диэлектрики // тезисы доклада на VII Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, СПб, 20-23 апреля 2010 г.

6. R.V. Dyukin, Е.В. Yakovlev, G.A. Martsinovsky, G.D. Shandybina, I.D. Nikiforov // Investigation of femtosecond excitation conditions of surface polarisation TM- and ТЕ- cavity in model structures // Труды международной конференции "Фундаментальные основы лазерных микро- и нанотехнологий" (FLAMN-10), Санкт-Петербург, 28 июня - 2 июля 2010, р. 43.

7. R.V. Dyukin, G.A. Martsinovskiy, I.Yu. Khvan, G.D. Shandybina, E.B. Yakovlev, I.D. Nikiforov // Femtosecond dynamics of optical properties of semiconductor//Proceedings of SPIE, V.7996-OP, [7996-24], 2011.

Реализация результатов работы

Частично работа выполнялась в рамках гранта РФФИ № 09-02-00932-а «Исследование условий возбуждения и распространения поверхностных плазмон-поляритонов и волноводных мод в металлах, полупроводниках и широкозонных диэлектриках при воздействии фемтосекундного лазерного излучения», 2009 - 2011 г, а так же по государственному контракту П1134 от 27 августа 2009 на выполнение поисковых научно-исследовательских работ для государственных нужд.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Материалы изложены на 134 страницах, включая 56 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 109 наименования на 12 страницах.

Основные выводы и результаты работы

1. Разработаны физическая и математическая модели изменения оптических свойств поверхности полупроводников и диэлектриков при воздействии УКИ, в которых учитываются: межзонное поглощение, поглощение на свободных электронах, термо- и фотоэмиссия, диффузия и термализация свободных электронов.

2. Разработана программа численного решения задачи об изменении оптических свойств поверхности полупроводников и диэлектриков при воздействии УКИ. Результаты решения показали, что существуют режимы воздействия УКИ на полупроводники и диэлектрики, при которых возникают условия для возбуждения волноводной моды.

3. Предложен и проведен модельный эксперимент подтвердивший, что в слоистых структурах с пространственным распределением диэлектрической проницаемости аналогичным возникающим при-действии УКИ, возбуждаются именно волн'оводные моды.

4. Предложены конструкции модуляторов и переключателей излучения-с фемтосекундным временем переключения.

Благодаря численному моделированию сделаны оценки изменения оптических свойств поверхности под действием УКИ. Было показано, что существенную роль играют эмиссионные процессы. В модельной задаче разделены процессы фото- и термоэмисси, показан отдельный вклад этих механизмов. Результатом моделирования, ■ является подтверждениепредложенной модели образования ППС. А именно показано, что в процессе взаимодействия УКИ с веществом создаются условия для возбуждения волноводной моды, интерференция которой с падающим излучением и приводит к образованию температурной решетки, необходимой для образования ППС.

Был проведен эксперимент, в котором исследовалось возбуждение волноводной моды в структуре диэлектрик - металл - диэлектрик. Численное моделирование показало, что в результате эмиссионных процессов образуется слоистая структура показателя преломления. Были изготовлены многослойные образцы, в которых толщины пленок примерно соответствуют слоям с измененным показателем преломления, повторяя слоистую структуру, полученную в результате численного моделирования. В ходе эксперимента показано, что в структурах диэлектрик - металл - диэлектрик изменение интенсивности прошедшего через образец сигнала, обнаружено только при • поляризации, что соответствует возбуждению волноводной моды; а в структурах диэлектрик - металл происходит возбуждение плазмон-поляритонов.

Показанная в главе 5 практическая ценность работы, а так же предложенные перспективные идеи, основанные на полученных результатах, делают работу актуальной на сегодняшний день.

Заключение

В ходе работы было рассмотрено современное состояние вопроса взаимодействия УКИ с веществом. Особое внимание уделено вопросам самоструктурирования поверхности, а так же изменению оптических свойств под действием УКИ.

В ходе обзора литературы показано, что механизм микроструктурирования поверхности под действием УКИ является до конца не решенным вопросом. Это многоступенчатый процесс, объяснение которого актуально на сегодняшний день.

Изучена теоретическая модель генерации неравновесных носителей под действием УКИ в полупроводниках и диэлектриках. Получено аналитеческое выражение для распределения электронов по глубине материала. Разделены процессы, фото и термоэмиссии электронов с поверхности. На основе формулы Ричардсона получено выражение для расчета количества электронов, улетевших за счет термоэмиссии. Для оценки фотоэмиссии использовалась модель виртуальных уровней. Используя модель виртуальных уровней учтены межзонное многофотонное поглощение и многофотонная фотоионизация. Учтены процессы диффузии и термализации электронов. На основе предложенной модели получены зависимости распределения концентрации« неравновесных носителей по глубине материала для различных моментов

115 времени. Используя модель Друде удалось проследить изменение диэлектрической проницаемости вглубь материала в течение длительности импульса. На основе предложенной модели проведен анализ зависимости распределения неравновесных носителей от различной энергии импульса. Показана важная роль эмиссионных процессов в создании условий, необходимых для возбуждения волноводной моды.

1. Под ред. В.М. Аграновича, Д.Л. Миллса // Поверхностные поляритоны.// М.: Наука, 1985. С. 6-10.

2. A.M. Бонч-Бруевич, М.Н.Либенсон, B.C. Макин, А.Г. Румянцев // Поверхностные поляритоны и воздействие лазерного излучения на вещество // Известия АН СССР, сер. физ., 1989, т.53, № 4, с. 769-776

3. М.Н.Либенсон, B.C. Макин, С.Д. Пудков // Поверхностные электромагнитные волны в оптике // Л.: Общество "Знание" РСФСР, ЛО, ЛДНТП, 1990

4. A.M. Bonch-Bruevich, M.N.Libenson, V.S. Makin, V.V. Trubaev // Surface Electromagnetic Waves in Optics // Optical Engineering, 1992, v. 31, p. 718-730

5. T.W.Ebbsen, H.J.Lezec, H.F.Ghaemi, T.Thio, P.A.Wolff // Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays // Nature, v.391, 1998, pp.667-669.

6. E. Yablonovitch // Photonic band-gap structures // JOSA В 10, 283 (1993)

7. Анисимов С.И., Бонч-Бруевич A.M., Ельяшевич M.A., Имас Я.А., Павленко Н.А., Романов Г.С. // Действие мощных световых потоков на металлы // ЖТФ. 1966. Т. 36. № 7. С. 1273-1284.

8. Анисимов С.И., Капелиович Б.Л., Перельман Т.Л. // Электронная эмиссия с поверхности металлов под действием ультракоротких лазерных импульсов // ЖЭТФ. 1974. Т. 66. № 2. С. 776-781.

9. Каганов М.И., Лифшиц И.М., Танаторов Л.В. Релаксация между электронами и решеткой // ЖЭТФ. 1956. Т. 31. № 2. С. 232-237.

10. П.Г. Крюков // Лазеры сверхкоротких импульсов // Квантовая электроника, 31, №2, 2001

11. Liu, X. Du, D. Mourou, G // Laser ablation and micromachining with ultrashort laser pulses // IEEE Quantum Electron., 33, 1706-1716, 1997.

12. C.B. Заботнов, A.A. Ежов, Л.А. Головань, M.A. Ластовкина, В.И. Панов,

13. B.Ю. Тимошенко, П.К. Кашкаров // Формирование наночастиц на поверхности кремния под действием фемтосекундных лазерных импульсов // ФТП, том 41, вып. 8, стр. 1017-1020, 2007

14. Hans К. Toenshoff, Andreas Ostendorf, Frank Korte, J. Serbin, Thorsten Bauer // Generation of periodic microstructures with femtosecond laser pulses // Proc. SPIE 4426, 177(2002)

15. Michel Meunier, Bruno Fisett¿, Alexis Houle, Andrei V. Kabashin, Sergey V. Broude, Pascal Miller // Processing of metals and semiconductors by a femtosecond laser-based microfabrication system // Proc. SPIE 4978, 169 (2003)

16. Joern Bonse, Steffen Baudach, Joerg Krueger, and Wolfgang Kautek // Femtosecond laser micromachining of technical materials // Proc. SPIE 4065,161 (2000)

17. Г.А. Марциновский, Г.Д. Шандыбина, Ю.С. Дементьева, Р.В. Дюкин,

18. C.В. Заботнов, Л.А. Головань, П.К. Кашкаров. Возбуждение поверхностных электромагнитных волн в полупроводниках при фемтосекундном лазерном воздействии // Физика и техника полупроводников, №10, 2009 г.

19. М. Henyk, N. Vogel, D. Wolfframm, A. Tempel, J. Reif // Femtosecond laser ablation from dielectric materials: Comparison to arc discharge erosion // Appl. Phys. A, v. 69, p. 355 358,1999.

20. Yang Yang, Jianjun Yang, Chunyong Liang, Hongshui Wang // Ultra-broadband enhanced absorption of metal surfaces structured by femtosecond laser pulses // Optics Express, Vol. 16, p. 11259-11265, 2008.

21. F. Korte, J. Serbin, J. Koch, A. Egbert, C. Fallnich, A. Ostendorf, B. N. Chichkov // Towards nanostructuring with femtosecond laser pulses // Appl. Phys. A 77,' 229-235 (2003)

22. Емельянов В.И., Бабак Д.В. // сверхбыстрые вибронные фазовые переходы в полупроводниках под действием фемтосекундных лазерных импульсов // ФТТ, том 41, выпуск 8, стр. 1462, 1999.

23. Агранат М.Б., Анисимов С.И., Ашитков С.И., Дыхне A.M., Кондратенко П.С., Фортов В.Е. // Образование периодических поверхностных структурпри воздействии сверхтонких лазерных импульсов // ЖЭТФ, 1999 г., том 115; вып. 2, стр. 675

24. Е. L. Clarkl,2,K. Krushelnickl, J. R. Davies3, M. Zepfl, M. Tatarakisl, F. N. Beg! and et. // Measurements of Energetic Proton Transport through Magnetized Plasma from Intense Laser Interactions with Solids //Phys. Rev. Lett. 84, 670673 (2000)

25. Tadashi Nishikawa, Hidetoshi Nakano, Naoshi Uesugi, Masashi Nakao, Hideki Masuda // Greatly enhanced soft x-ray generation from femtosecond-laser-produced plasma by using a nanohole-alumina target // Appl. Phys. Lett. 75, 4079 (1999)

26. S. Juodkazis, K. Nishimura, S. Tanaka, H. Misawa, E. G. Gamaly, B. Luther-Davies, L. Hallo, P. Nicolai, V. T. Tikhonchuk// Laser-Induced Microexplosion

27. Confined in the Bulk of a Sapphire Crystal: Evidence of Multimegabar Pressures // Phys. Rev. Lett. 96, 166101, 2006.

28. С. V. Shank, R. Yen, C. Hirlimann // Time-Resolved Reflectivity Measurements of Femtosecond-Optical-Pulse-Induced Phase Transitions in Silicon // Phys. Rev. Lett., 50, p. 454-457, 1983.

29. K. Sokolowski-Tinten, J. Bialkowski, and D. von der Linde // Ultrafast laser-induced order-disorder transitions in semiconductors // Phys. Rev. В 51, p. 14186-14198,1995.

30. H. W. K. Tom, G. D. Aumiller, С. H. Brito-Cruz // Time-resolved study of laser-induced disorder of Si surfaces // Phys. Rev. Lett. 60, p. 1438-1441, 1988.

31. C. Cesari, G. Nihoul, J. Marfaing, W. Marine, B. Mutaftschiev // Amorphous-crystalline interfaces after laser induced explosive crystallization in amorphous germanium// Surface Science, v.162, p.724,1985.

32. Демчук A.B., Пристрем A.M. , Данилович Н.И., Лабунов B.A. // Локальное-плавление кремния лазерным излучением миллисекундой длительности // Поверхность, т. 12, 89, 1987.

33. Celler G.K. // Laser crystallization of thin Si films on amorphous insulating substrates // J. Crystal Growth, v. 63, Issue 3, P. 429-444, 1983.

34. Givargisov E.I., Limanov A.B. // Artificial epitaxy (graphoepitaxy) as an approach to the formation of SOI // Microelectronic Engeneering, v.8, Issues 3-4, p.273-291, 1988.

35. V. N. Bagratashvili, A. F. Banishev, S. A. Gnedoy, V. I. Emelyanov and A. N. Jerikhin, et al. // Formation of periodic ring structures of relief and voids under laser vapor deposition of metallic films // Appl. Phys. A, V.52, p.438-444, 1991.

36. G. Gorodetsky, Jerzy Kanicki, T. Kazyaka, and R. L. Melcher // Far UV pulsed laser melting of silicon // Appl. Phys. Lett., v.46, p. 547-755, 1985.

37. J. F. Young, J. E. Sipe, and H. M. van Driel // Laser-induced periodic surface structure. III. Fluence regimes, the role of feedback, and details of the inducedtopography in germanium//Phys. Rev. B, V.30, p. 2001 2015, 1984.121

38. Banishev A.F., Emel'yanov V. 1 . and Novikov M.M. // Defect Ordering and Changes in Silicon Surface Morphology under Linearly Polarized Millisecond Pulsed Laser Irradiation // Laser Physics, v. 2, p. 178-189, 1992.

39. V. I. Emel'yanov and P. K. Kashkarov // Laser-induced defect formation in semiconductors // Appl. Phys. A, v.55, p. 161-167,1992.

40. В.С.Яковина, Д.М.Заячук, Н.Н.Берченко // Дефектообразование в решетке РЬТе под воздействием лазерной ударной волны // ФТП, том 37, стр. 13131315, 2003.

41. А.Б. Черемисин, С.В. Логинова, П.П. Борисков, А.А. Величко, А.Л. Пергамент, В.В. Путролайнен // Лазерная модификация атомной структуры аморфного пентаоксида ванадия // Письма в ЖТФ, том 37, стр. 22-28, 2011.

42. А.Л. Степанов, Б.Н. Чичков, В.Ф. Валеев, В.И. Нуждин, И.А. Файзрахманов // Модификация ионно-синтезированных наночастиц серебра в стекле мощными импульсами эксимерного лазера // Письма в ЖТФ, том 34, стр. 714, 2008.

43. Л.М. Сорокин, В.И. Соколов, А.П. Бурцев, А.Е. Калмыков, Л.В. Григорьев // Модификация пористого кремния в результате лазерного воздействия // Письма в ЖТФ, том 33, стр. 69-75, 2007.

44. А.П. Савинцев // Оптическое повреждение поверхности хлоридов натрия и калия фемтосекундными лазерными импульсами // Письма в ЖТФ, том 34, стр. 66-69, 2008.

45. V. V. Aristov, S. A. Magnitskii, V. V. Starkov, А. V. Tarasishin, and А. М. Zheltiko // Silicon Photonic Band-Gap Structures Controlling Light Pulses and

46. Beams //Laser Physics, v. 9, p. 1260,1999.122

47. П.К. Галенко, Е.В. Харанжевский, Д.А. Данилов // Высокоскоростная кристаллизация конструкциооной стали при лазерной обработке поверхности // ЖТФ, том. 72, стр. 48-55, 2002.

48. Petar A. Atanasov, Hiroto Takada, Nikolay N. Nedyalkov, Minoru Obara // Nanohole processing on silicon substrate by femtosecond laser pulse with localized surface plasmon polariton // Applied Surface Science, v. 253, p. 83048308, 2007.

49. A. Ferrer, V. Diez-Blanco, A. Ruiz, J. Siegel, J. Solis // Deep subsurface optical waveguides produced by direct writing with femtosecond laser pulses in fused silica and phosphate glass // Applied Surface Science, 254, p. 1121-1125, 2007.

50. Jens Gottmann, Dirk Wortmann, Ion Vasilief, Leonid Moiseev, Dimitri Ganser // Manufacturing of Nd:Gd3Ga5012 ridge waveguide lasers by pulsed laser deposition and ultrafast laser micromachining // Applied Surface Science, 254, p. 1105-1110,2007.

51. T. Donnelly, S. Krishnamurthy, K. Carney, N. McEvoy, J.G. Lunney // Pulsed laser deposition of nanoparticle films of Au // Applied Surface Science, 254, p. 1303-1306, 2007.

52. Mizushima, T. Sato, S. Taniguchi, Y. Tsunashima // Empty-space-in-silicon technique for fabricating a silicon-on-nothing structure // Appl. Phys. Lett. 77, p. 3290, 2000.

53. K. F. MacDonald, V. A. Fedotov, S. Pochon, K. J. Ross, G. C. Stevens, N. I. Zheludev, W. S. Brocklesby, V. I. Emel'yanov // Optical control of gallium nanoparticle growth // Appl. Phys. Lett. 80, p. 1643, 2002.

54. В.И. Емельянов // Самоорганизация упорядоченных ансамблей наночастиц при лазерно-управляемом осаждении атомов // Квантовая электроника, том 36, стр. 489-507, 2006.

55. B.C. Ковивкач, Т.В. Панова, К.А. Михайлов // Поверхностное структурирование поликристаллического магния при воздействии мощногоионного пучка наносекундной длительности // Письма в ЖТФ, том. 36, стр. 55-61, 2010.

56. H.H. Герасименко, A.A. Чамов, H.A. Медетов,- В.А. Ханин // Особенности формирования рельефа при травлении кремния фокусированным ионным' пучком // Письма в ЖТФ, том 36; стр. 38-45, 2010.

57. Таблицы физических велечин // Под ред. И.К. Кикоина, М. Атомиздат, 1976.

58. С.А. Пячин, В.Г. Заводинский, А.П. Кузьменко, М.А. Пугачевский, A.A. Бурков, Д.И. Тимаков // Поверхностное структурирование меди под действием электрического разряда // Письма в ЖТФ, том 36, стр. 34-40, 2010.

59. Давыдов A.C. Теория твердого тела. М.:Наука, стр. 90, 1976.

60. С.И. Валянский // Микроскоп на поверхностных плазмонах // Соросовский ' образовательный журнал, №8, стр. 76-82, 1998.

61. Р.В. Дюкин, Г.А. Марциновский, Г.Д. Шандыбина, Е.Б. Яковлев Электрофизические явления при фемтосекундных воздействиях лазерного излучения на полупроводники // Оптический журнал, т. 78, в. 2, 2011, стр.813.

62. Е.В. Голосов, В.И. Емельянов, A.A. Ионов, Ю.Р. Колобов и др. // Фемтосекундная лазерная запись субволновых одномерных квазипериодических наноструктур на поверхности титана // Письма в ЖЭТФ, том 90, стр. 116-120, 2009.

63. Yanhua Han, Shiliang Qu // The ripples and nanoparticles on silicon irradiated by femtosecond laser// Chemical Physics Letters, v. 495, p. 241-244, 2010.

64. Amit Pratap Singh, Avinashi Kapoor, K.N. Tripathi, G. Ravindra Kumar // Laser damage studies of silicon surfaces using ultra-short laser pulses // 'Optics & Laser Technology, vol. 34, p. 37-43, 2002.

65. J.A. Van Vechten // Experimental tests for boson condensation and superconductivity in semiconductors during pulsed beam annealing // Solid State Communications, v. 39, p. 1285-1291, 1981.

66. H. W. K. Tom, G. D. Aumiller, С. H. Brito-Cruz // Time-resolved study of laser-induced disorder of Si surfaces // Phys. Rev. Lett., v. 60, p. 1438-1441, 1988.

67. P. Saeta, J.-K. Wang, Y. Siegal, N. Bloembergen, E. Mazur // Ultrafast electronic disordering during femtosecond laser melting of GaAs // Phys. Rev. Lett., p. 67, p. 1023-1026,1991.

68. S. Notle, C. Momma, H. Jacobs, A.Tunnermann, B.N. Chichkov, B. Wellegehausen, H. Welling «Ablation of metals by ultrashort laser pulses», J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 14, p. 2715 2722, 1997.

69. T.H.Her, R.J.Finlay, C.Wn, E.Mazur. Femtosecond laser-induced formation of spikes on silicon. Appl.Phys.A., v. 70, p.383 385, 2000.

70. M. Lenzner // Femtosecond laser-induced damage of dielectrics // International Journal of Modern Physics B, Vol. 13, p. 1559-1578, 1999.

71. Eguilermain,V.Lysenko,R.Orobtchouk, T.Benyattou, S.Roux, A.Pillonnet, P.Perriat. Bragg surface wave device based on porous silicon and its application for sensing.Appl. Phys .Lett., v.90, 241116, (2007)

72. J. Reif, F. Costache, M. Henyk, S.V. Pandelov, Appl. Surf. Sci., 197-198, 891 (2002).

73. J. Bonse, S. Baudach, J. Krger, W. Kautek, M. Lenzner, Appl. Phys. A, 74, 19 (2002).

74. F. Costache, S. Kouteva-Arguirova, J. Reif, Appl. Phys. A, 79, 1429 (2004).

75. M.Y. Shen, C.H. Crouch, J.E. Carey, E. Mazur, Appl. Phys. Lett., 85, 5694 (2004)

76. Y. Ping et al. Optical properties in nonequilirium phase transition. PRL, v.96, p. 055001, (2006).

77. Y. Ping et al. Broadband dielectric function of nonequilibrium warm dense gold. PRL, v.96, p.255003, (2006).

78. Бонч-Бруевич A.M., Ковалев В.П., Романов Г.С., Имас Я.А., Либенсон М.Н. // Изменение отражательной способности некоторых полупроводников при возбуждении их излучением ОКГ // ЖТФ, 1968, т. 38, вып. 4, с. 677-685.

79. Вахненко И.Ф., Стрижевский В.Л. // Плазменное отражение за счет неравновесных носителей в полупроводниках // ФТП, 1969, т. 3, № 12, с. 1844-1856.

80. Блинов Л.М., Вавилов B.C., Галкин Г.Н. // Концентрация носителей заряда в полупроводнике, освещенном оптическим квантовым генератором // ФТТ, 1967, т. 9, №31, с. 854-858.

81. Блинов Л.М., Вавилов B.C., Галкин Г.Н. // Изменение оптических свойств и концентрации носителей заряда в Si и GaAs при интенсивном фотовозбуждении рубиновым ОКГ // ФТП, 1967, т. 1, № 9, с. 1351-1357.

82. Либенсон М.Н. Лазерно-индуцированные' оптические и термические процессы в конденсированных средах и их взаимное влияние. Спб.:Наука, 2007. 423с.

83. М.Н.Либенсон // Неравновесный нагрев и остывание металла при воздействии сверхкороткого лазерного импульса // Изв. РАН., сер. физ., 65, в.4, стр. 515-519, 2001.

84. Chen Hui, Wilks S.C., Kruer W,L., Patel P.K., Shepherd R. Hot electron energy distributions from ultraintense laser solid interactions // Physical of Plasmas, v. 16, p. 020705-Ц-4), 2009.

85. Kemp A.J., Sentoku Y., Tabak M. Hot-electron energy coupling in ultraintense laser-matter interaction // Physical Review E, v. 79, p. 066406-(l-9), 2009.

86. Лобзенко П.В., Евтушенко H.A., Новиков B.A., Иришин Р.Г. Влияние термоэлектронной эмиссии на поглощение ультракоротких лазерных импульсов в полупроводниках// ЖТФ, v. 72, В. 1, р. 72-75, 2002.

87. Gruzdev V.E., Komolov V.L., Przhibelskii S.G., Smirnov D.S. Destruction of the nano-size solid particles under femtosecond laser pulse action // Proc. SPIE, v.6596, p. 65960Р-Ц-8), 2007.

88. J.E.Carey, C.H. Ping, E.Mazur // For New Optoelectronics Applications // Optics&Photonics News, 14, 2, pp.32-36, 2003.

89. Y. Shimosuma, P.G. Kazansky, J.R. Qin, K. Hirao // Self-organized nanogratings in glass irradiated by ultrashort light pulses // Phys. Rev. Lett., 91, p. 247405, 2003.

90. A. Zoubir, M. Richardson, C. Rivero, A. Schulte, C. Lopez, K. Richardso // Direct femtosecond laser writing of waveguides in As2S3 thin films // Optics letters, 29, pp. 748-750, 2004.

91. Делоне H. Б. // Многофотонные процессы // Соросовский образовательный журнал, №3, стр. 75-81,1996.

92. Слэтер Дж. // Диэлектрики, полупроводники, металлы // Под ред. В.Л. Бонч-Бруевича, изд. «МИР», Москва, 1969.

93. Е.Ю. Перлин, Т.А. Вартанян, А.В. Федоров // Физика твердого тела. Оптика полупроводников, диэлектриков, металлов // Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. С. 216.

94. Е. G. Gamaly, А. V. Rode, В. Luther-Davies // Ablation of solids by femtosecond lasers: Ablation mechanism and ablation thresholds for metals and dielectrics // Physics of plasmas, v. 9, p. 949-957, 2002.

95. B. Rethfeld // Free-electron generation in laser-irradiated dielectrics // Phys. Rev. B, v. 73,035101,2006.

96. Делоне Н.Б. // Нелинейная оптика // M. Физматлит, 2003.

97. Делоне Н.Б., Крайнев В.П. // Нелинейная ионизация атомов лазерным излучением // М. Физматлит, 2001.

98. Либенсон M.H. // Поверхностные электромагнитные волны оптического, диапазона// Соросовский Образовательный Журнал, № 10, стр. 92-98, 1996.

99. В.М. Агранович, Д.Л. Миллс // Поверхностные поляритоны // М.: Наука, 1985, стр. 6 10.

100. Yeatman Е.М., Ash E.A. // Surface plasmon microscopy // Electronics Letters, v. 23, p. 1091-1092, 1987.

101. Никитин A.K., Тищенко A.A. // Фазовая ПЭВ-микроскопия // Письма в ЖТФ, том 17, стр. 76-79, 1991.

102. Кабашин А. В., Никитин П. И. // Интерферометр с использованием поверхностного плазменного резонанса для сенсорных применений // Квантовая электроника, том 24, стр. 671-672, 1997.

103. Г.Н. Жижин, А.К. Никитин, Т.А. Рыжова, А.П. // Логинов О примененииголографической интерферометрии для оптического контроля поверхноститвердого тела // Письма в ЖТФ, том 30, стр. 88-94, 2004. >128

104. M. W. Knight, N. Grady, F. Hao, P. Nordlander, N. J. Halas // Nanopaxticle-mediated coupling of light into a nanowire // Nano Letters, v. 7, 2346-2350, 2,007.