Смирнов Александр Михайлович
«Лазерная спектроскопия полупроводников»
Описание курса:
Лазерная спектроскопия представляет собой одну из ключевых и наиболее динамично развивающихся областей современной физики, находящую широкое применение в фундаментальных и прикладных исследованиях. Сегодня эта дисциплина лежит в основе множества передовых технологий от нанофотоники и квантовой оптики до биомедицинской диагностики, солнечной энергетики и материаловедения. Особенно актуальны методы лазерной спектроскопии при изучении полупроводниковых материалов и низкоразмерных структур (квантовых точек, нанопластинок, квантовых нитей), где оптические свойства в значительной степени определяются квантово-размерными эффектами, локальными дефектами и межчастичным взаимодействием. Бурное развитие лазерных источников, детекторов и спектральных методик позволяет достигать высокой чувствительности, временного и спектрального разрешения, что открывает новые возможности в исследовании динамики возбуждённых состояний, когерентных процессов и нелинейных явлений в веществе.
Целью данного курса является формирование у студентов целостного представления о физических основах лазерной спектроскопии, её методах и возможностях. В рамках курса ставятся следующие задачи: (1) дать систематическое введение в физику лазерного излучения — от принципов спонтанного и вынужденного излучения до схем накачки и типов лазеров; (2) ознакомить с устройством и характеристиками спектральных приборов; (3) изложить основы линейной и нелинейной спектроскопии, включая комбинационное рассеяние, двухфотонное поглощение, четырёхволновое смешение и когерентные методы; (4) продемонстрировать применение лазерной спектроскопии для исследования оптических свойств полупроводников и наноструктур, включая спектроскопию одиночных квантовых объектов; (5) показать междисциплинарный потенциал метода — от физики атмосферы до биологии и медицины.
План курса:
Тема 1. Истоки лазерной спектроскопии. Направления и предмет исследования лазерной спектроскопии.
Лекции 1. Введение в курс «Лазерная спектроскопия полупроводников»: цели, задачи и междисциплинарная значимость. История создания лазера и зарождение нелинейной оптики как самостоятельного направления.
Лекции 2. Предмет и методы лазерной спектроскопии. Классификация методов спектроскопических подходов: линейные и нелинейные, стационарные и временно-разрешённые. Основные области применения – физика конденсированного состояния, нанофотоника, биомедицина.
Тема 2. Основы лазерной физики и спектральной техники.
Лекции 3. Спонтанное и вынужденное излучение. Условия лазерной генерации и инверсная населённость. Свойства лазерного излучения: когерентность, монохроматичность, яркость, длительность импульсов.
Лекции 4. Электронная структура редкоземельных элементов. Типы, устройство и принцип действия лазеров. Рубиновый лазер. Трехуровневая схема накачки. Неодимовый лазер. Неодим в кристалле, неодим в стекле. Четырехуровневая схема накачки. Запрещенный переход в приближении электро-дипольного взаимодействия.
Лекции 5. Волоконные лазеры. Ап-конверсионные лазеры. Перестраиваемы лазеры. Александритовый лазер. Титан-сапфировый лазер. Уровни в конфигурационных координатах. Лазер на красителях.
Лекции 6. Полупроводниковые лазеры. Лазер на гомопереходе. Лазер на двойном гетеропереходе.
Лекции 7. Спектральные приборы: монохроматоры, спектрографы, интерферометры. Спектральная разрешающая способность, светосила, методы детектирования.
Тема 3. Энергетическая структура и оптические свойства низкоразмерных полупроводниковых наноструктур.
Лекции 8. Квантово-размерный эффект в нульмерных (квантовые точки), двумерных (нанопластинки) и одномерных (наностержни) системах. Квантовые точки: энергетическая структура экситонных уровней. Тонкая структура экситонов в CdSe-квантовых точках и её влияние на поляризацию и спектр излучения. Роль поверхностных состояний в безызлучателной рекомбинации и эффективности фотолюминесценции.
Лекции 9. Биэкситоны и трионы: связь с Оже-рекомбинацией и явлением мерцания (blinking). Нанопластинки CdSe: гигантская энергия связи экситонов, диэлектрическое усиление, разделение светлых и тёмных экситонных состояний.
Лекции 10. Несферические и гетероструктурные нанокристаллы: оптические свойства наностержней и тетраподов. Гетероструктурные квантовые точки (типа I, II, квазитипа II): локализация электронов и дырок. Нанопластинки с гетеропереходами: инжекция носителей, управление спектром спектром и временем жизни. Легированные наноструктуры: влияние примесей (Cu⁺, Mn²⁺ и др.) на оптический отклик.
Тема 4. Методы нелинейной и временно-разрешённой спектроскопии наноструктур.
Лекции 11. Связь поляризации и светового поля. Материальное уравнение. Нелинейная восприимчивость. Генерация гармоник. Условие фазового синхронизма. Модель ангармонического осциллятора.
Лекции 12. Тензор нелинейной восприимчивости. Четырёхволновое взаимодействие. Метод накачки и зондирования: временные, спектральные и пространственные аспекты согласования. Дифференциальное пропускание и отражение.
Лекции 13. Метод возбуждения фотолюминесценции. Метод наведённых дифракционных решёток. Динамические дифракционные решётки: создание, дифракционная эффективность, временная эволюция. Создание динамических фотонных кристаллов с помощью интерференции когерентных лазерных пучков. Применение в исследованиях носителей заряда и экситонов.
Лекции 14. Нелинейная спектроскопия низкоразмерных структур: квантовые ямы, нити и точки. Спектральные и временные особенности. Спектроскопия одиночных нанообъектов: квантовые точки, нанопластинки, наноскроллы. Использование наноструктур как однофотонных источников.
Тема 5. Лазерная спектроскопия комбинационного рассеяния (КР).
Лекции 15. Лазерная спектроскопия КР. Основные принципы. Стоксово и антистоксово излучение. Классическое и квантомеханическое описание КР.
Лекции 16. Нелинейная спектроскопия КР. Вынужденное КР. Спектроскопия когерентного антистоксова комбинационного рассеяния (КАРС). Виды и основные особенности КАРС.
