Смирнов Александр Михайлович
«Нелинейная оптика полупроводников и полупроводниковых наноструктур»
Описание курса:
В курсе «Нелинейная оптика полупроводников и полупроводниковых наноструктур» представлены базовые знания нелинейно-оптических явлений, изучаются фундаментальные основы нелинейной оптики, а также экспериментальные методы, используемые в лазерной спектроскопии конденсированных сред. Нелинейная оптика и нанофотоника в настоящее время является взаимосвязанными разделами физики и остаются одними из наиболее динамично развивающихся областей, используемых во многих направлениях науки, медицины и техники. Нелинейная оптика обеспечивает значительный прогресс и постоянный рост числа ее применений. Задачи, исследуемые в этой области, находят непосредственное применение в современных наиболее прогрессивных и высокотехнологичных направлениях, таких физика и техника полупроводников и полупроводниковых структур пониженной размерности, которая включает в себя фотонику, нанофотонику, солнечную энергетику и другие. Все понятия и основные темы рассматриваются на уровне курса общей физики так чтобы у обучающихся уже имелось представление об этом направлении физики в целом. Цель данного курса заключается в заложении основ для дальнейшего изучения отдельных разделов.
Актуальность и новизна курса обусловлена тем, что рассматриваемы методы исследования нелинейно-оптических свойств новых полупроводниковых наноструктур позволили выявлять новые черты фундаментальных физических процессов в них. Разработанные новые методы спектроскопии наносистем позволили экспериментально определить величины оптических нелинейностей с высокой точностью и изучить фундаментальные основы нелинейных оптических процессов, происходящих в коллоидных наноструктурах. Результаты исследований последних 10 лет раскрывают преимущества наноструктур при создании и повышении эффективности современных оптоэлектронных устройств на их основе, в том числе для внедрения исследуемых наноструктур в приборы модуляции, генерации, передачи и детектирования электромагнитного излучения.
Одним из критериев эффективности и чувствительности нелинейно-оптических устройств являются значения нелинейного изменения поглощения и/или преломления в исследуемых наноструктурах. Значение нелинейности резко возрастает при резонансном или околорезонансном возбуждении экситонных переходов. В полупроводниковых квантовых точках с регулируемым экситонным спектром основными эффектами, ответственными за нелинейное изменение поглощения и преломления как правило выделяют эффект заполнения состояний и штарковский сдвиг экситонных переходов, что также будет рассмотрено в данном курсе.
План курса:
Лекция 1-2
Тема 1. Истоки лазерной спектроскопии. Направления и предмет исследования лазерной спектроскопии.
Введение в курс «Нелинейная оптика полупроводников и полупроводниковых наноструктур», основные направления исследования. Природа оптической нелинейности. Классические и сильные, резонансные динамические нелинейности. Измерения с временным разрешением. История создания лазеров и развития нелинейной оптики.
Лекции 3-4-5
Тема 2. Основы нелинейной оптики.
Связь поляризации и светового поля. Материальное уравнение. Нелинейные предшественники из области магнитного резонанса. Нелинейная восприимчивость. Модель ангармонического осциллятора. Газ свободных электронов. Энергия поля в нелинейной среде. Распространение волн в нелинейных средах. Энергия поля в нелинейной среде. Приближение медленно меняющихся амплитуд. Граничные условия. Распространение волн с зависящей от времени амплитудой.
Лекции 6-7-8
Тема 3. Процессы преобразования частот.
Нестационарные нелинейно-оптические процессы. Генерация второй гармоники. Длина когерентности. Согласование фаз при генерации второй гармоники. Волновой синхронизм в анизотропных средах. Тензор нелинейной восприимчивости. Процессы преобразования частот. Оптическая параметрическая генерация. Полупроводниковый параметрический генератор. Четырехволновые взаимодействия. Самофокусировка, самодефокусировка.
Лекции 9-10-11
Тема 4. Резонансные и динамические нелинейности.
Оптическая бистабильность и мультистабильность. Оптическая ячейка памяти. Оптический транзистор. Сильные динамические нелинейности в объемных полупроводниках. Динамический эффект Бурштейна-Мосса. Перенормировка ширины запрещенной зоны при большой концентрации неравновесных носителей. Экситонные нелинейности (экранирование, эффект заполнения фазового пространства).
Лекции 12-13-14
Тема 5. Методы нелинейной спектроскопии.
Метод накачки и зондирования. Временное, пространственное и спектральное согласование. Дифференциальное пропускание. Метод наведенных дифракционных решеток. Лазерная спектроскопия квантовых точек, квантовых нитей и квантовых ям. Спектральные особенности. Эффект насыщения поглощения. Четырехволновое взаимодействие.
Лекции 15-16-17
Тема 6. Измерение длительности лазерных импульсов.
Нелинейные оптические методы измерения длительности ультракоротких импульсов. Измерение кросскорреляционных функций интенсивности.
