Главная » 2014»Август»17 » Скачать Лазерное возбуждение неравновесных носителей в широкозонных диэлектриках. Панов, Александр Александрович бесплатно
04:12
Скачать Лазерное возбуждение неравновесных носителей в широкозонных диэлектриках. Панов, Александр Александрович бесплатно
Лазерное возбуждение неравновесных носителей в широкозонных диэлектриках
Диссертация
Автор: Панов, Александр Александрович
Название: Лазерное возбуждение неравновесных носителей в широкозонных диэлектриках
Справка: Панов, Александр Александрович. Лазерное возбуждение неравновесных носителей в широкозонных диэлектриках : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.04 Москва, 1985 172 c. : 61 85-1/2438
Объем: 172 стр.
Информация: Москва, 1985
Содержание:
ВВВЩЕНИЕ
ГЛАВА I, Краткий обзор работ по фотопроводтюоти диэлектриков II
11 Ранние работы по фотопроводшлости диэлектр^псов ц
12 Лазерная фотопроводиглость диэлектриков
Выводы к главе I
ГЛАВА 2 Экспериментальная установка, условия и методика проведения экспериментов по лазерной фотопроводимости -
21 Лазерная установка
22 Установка для измерений фотопроводшлости
23 Методика измерений фотопроводимости
24 Исследуеглые кристаллы
Выводы к главе
ГЛАВА 3 Экспериментальные результаты по лазерной фотопроводимости широкозонных диэлектриков
31 Фотопроводимость щелочно-галоидных кристаллов на длине волны 0,27 мкм
32 Фотопроводшлость щелочно-галоидных кристаллов на длине волны 0,35 мкгл
33 Фотопроводимость кристаллов ЩР и Ж Д Р
34 Фотопроводиглость кристаллов рубина и флюорита
Выводы к главе - ГЛАВА 4 Исследование эффекта фотоувлечения носителей и нелинейного поглощения излучения в щелочно-гаяоидных кристаллах при УФ возбулсдении
Введение:
4.1. Эффект увлечения электронов фотоналш в щелочно-галоидных кристаллах 88 4.2. Нелинейное поглощение в щелочно-галоидных кристаллах лазерного излучения на длинах волн 0,35 ш ш и 0,27 мкм 102 Выводы к главе 4 125 ГЛАВА 5. Кинетическая модель фотопроводимости, наблюдаемой в щелочно-галоидных кристаллах 127 Введение 127 5.1. Роль "мел1сих" ловушек в наблвдаемых явлениях лазерной фотопроводимости 127 5.2. Анализ явлений лазерной фотопроводшлости при больших интенсивностях лазерного излучения 131 5.3. Роль дефектов в наблюдаемых явлениях лазерной фотопроводшлости 136 Выводы к главе 5 i56 ЗА1ШЗЧЕНИЕ ' 157 ЛИТЕРАТУРА 160 - 4 ВВЕДЕНИЕ В последнее время вызывают большой интерес явления, обусловленные взаимодействием мощного лазерного излзгчения с прозрачными твердыми телами. Значение этих явлений для фундаментальной физики твердого тела несомненно, благодаря их связи со многими проблемами, та1стш, как многофотонные переходы, процессы генерации и рекомбинации неравновесных носителей, образовалие радиационных дефектов, С прикладной точки зрения этот интерес связан, в частности, с проблемой лазерного разрушения оптических материалов, используеглых в качестве активных и пассивных элементов лазерных установок, В ряде теоретических и экспериментальных работ последних лет (см., например, /1-7/) были выяснены основные механизмы, приводящие к пробою прозрачных твердых диэлектриков в поле интенсивной электромагнитной волны. Было показано, что в большинстве практически реализуемых случаев за разрушение ответственны поглощающие включения, одна1со, в наиболее чистых образцах разрутпение может быть связано с электронными процессами: ударной и многофотонной ионизацией. Взаимодействие между процессами многофотонного поглощения энергии и механизмами лавинного разрушения в твердых телах обсуждалось, в частности, в работах /8-II/. В недавних работах /12-14/ лазерное разрушение вследствие ударной ионизации (электронной лавины) было экспериглентально обнарун^ено в щелочно-галоидных кристаллах.В связи с этим детальное исследование электронных процессов, обусловливающих лазерное разрушение и определяющих предельную стойкость оптических материалов к мощному лазерному излучению, представляется весьма а1стуальным. Сюда относятся - 5 такие вопросы, как механизмы фотовозбуждения и рекомбинации неравновесных носителей, оцешш их концентрации при различных интеноивностях и на различных частотах лазерного излучения, выяснение источников затравочных электронов /12,14,15/, включая роль многофотонной ионизации основных атомов решетки, а также роль ионизации примесей и дефектов.Среди различных экспериментальных методов исследования электронных процессов в твердых телах одним из наиболее эффективных является метод, основанный на изучении фотопроводимости. Являясь прямым методом, в котором непосредственно детектируются неравновесные носители, он позволяет получить информацию о процессах возбуждения и рекомбинации, о концентрациях и подвижностях носителей /16/. Поэтому в настоящей работе мы использовали этот метод в качестве основного при исследовании механизмов фотовозбуждения и рекомбинации носителей в широкозонных диэлектриках в УФ диапазоне.Отметим, что при исследовании механизмов оптического разрушения прозрачных диэлектршюв явление фотопроводимости практичесхш не рассматривалось. Нам известны лишь две работы /17, 18/, где в очень небольшом интервале интенсивностей лазерного излучения, почти на саглом пороге оптического разрушения наблюдалась объемная фотопроводимость рубина на длине волны 0,69 мкм, и более поздняя работа /19/, где на длине волны неодшяового лазера в результате исследования фотоотклика была выявлена динамика лазерного разрушения кристалла КДР. Для более надежной интерпретации представляемых в настоящей работе результатов по фотопроводшлости и выводов относительно механизмов фотовозбувдения и рекомбинации неравновесных носителей глы провели исследования (в щелочно-галоидных крис- 6 таялах в 7Ф диапазоне) эффекта фотонного увлечения носителей, до этого в диэлектрических кристаллах не наблюдавшегося, и нелинейного поглощения лазерного излучения.Для изучения особенностей эффекта увлечения была разработана оригинальная методика, позволяющая измерять величину наиря?кенности поля эффекта и ползгчать ее завистюсть от интенсивности лазерного излучения. Путем применения в наших экспериментах оптоакустического метода, обладащего высокой чувствительностью, нелинейное поглощение энергии, связанное с глногофотонными переходами, удалось наблюдать при интенсивностях излучения, которые на несколько порядков ншке, чем пороговые для лазерного разрушения /12,20/, Следует подчеркнуть, что исследования эффекта увлечения носителей светом и нелинейного поглощения были проведены на тех же длинах волн и на тех же образцах, на которых изучалась фотопроводшлость, что позволило корректно сопоставить результаты этих независимых исследований и, благодаря этому, сделать обоснованные выводы о механизмах фотовозбр^одения и рекомбинации носителей.Другой вопрос, относящийся к проблеме взаимодействия мощного лазерного излучения с твердыми прозрачныгли диэлектрикалш, связан с исследованиями радиационных дефектов и центров окраски. Выяснение механизмов образования дефектов под действием мощного лазерного излучения представляет очень большой интерес как для фундаментальной физики твердого тела, так и для ьгаогих практических задач, В частности, такие дефекты могут играть существенную роль в процессах деградации лазерных элементов (активных и пассивных), влиять на кинетику лазерной генерации, а с другой стороны, могут быть использованы для создания перест- 7 раиваемых лазеров на центрах окраски.В связи с вышеизложенным, целью настоящей работы было проведение всесторонних исследований процессов фотовозбуждения неравновесных носителей в широкозонных диэлектриках под действием лазерных импульсов наносекундной длительности в УФ диапазоне путем из учения фотопроводшлости, эффекта увлечения и нелинейного поглощения.На сегодняшний день большинство экспериментальных работ по исследованию явления фотопроводимости выполнено на полупроводниковых материалах, хотя исторически сначала изучались щелочно-галоидные соединения, поскольку в 20-30-х годах нашего века методы синтеза монокристаллов полупроводников были еще не развиты, а использование исследуемых веществ в ввде порошков вело к тому, что на их фотопроводимость оказывали сильное влияние различные контшстные явления /21/. - 8 Изучение фотопроводимости в прозрачных материалах, особенно в широкозонных кристаллах, представляет значительные экспериментальные трудности. Практическое отсутствие темновой проводшлости препятствует применению обычных дяя полупроводников измерений фототока с использованием оглических контактов, Небольшие величины коэффициентов многофотонного поглощения, глубокое залегание в запрещенной зоне ионизируеглых дефектов приводят к весьма малой величине фотоотклика. Соответственно этому возрастает роль мешающих, паразитных эффектов, таких, например, как инжекция носителей из электродов или влияние поверхностной фотопроводимости. Все это, видшло, и привело к относительно небольшому числу работ, посвященных фотопроводимости широкозонных диэлектриков.В настоящей работе большое Бнтта1ше было уделено технике эксперимента и отработке методик исследования фотопроводшлости, эффекта увлечения и нелинейного поглощения. Всестороннее изучение указанных явлений потребовало создания мощного одномодового лазера, дающего возможность оперативно пользоваться излучением на длинах волн 1,06 ши'Л, 0,53 глкм, 0,35 mm и 0,2? глкгл.Диссертационная работа состоит из Введения, пяти глав и Заключения. В конце каждой главы сфорг,1улированы краткие выводы.В первой главе проведен крат1шй обзор работ по фотопроводимости диэлектрических кристаллов. При этом особое вншлание было уделено анализу работ, посвященных фотопроводш-лости, возбуждаемой лазерным излучением (в дальнейшем мы иногда будем пользоваться термином "лазерная фотопроводимость"). Отглечено, что опубликованные результаты экспериментальных исследований фотопроводимости диэлектрршов часто противореч.ат друг другу и не дают, такшл образом, однозначного ответа на вопрос, каковы - 9 механизглы фотовозбуждения неравновесных носителей. Детально рассмотрены основные выводы, вытекающие из работ /22-25/, где исследовались зависимости фотопроводимости нелегированных (т.е. не содеркащих преднамеренно введенных пригяесей) щелочно-галоидных кристаллов от интенсивности возбуждающего лазерного излучения.Во второй главе содержится описание установки, используемой для экспериментов по изучению лазерной фотопроводимости диэлектрических кристаллов в УФ диапазоне. Отмечается, что особое внимание было уделено вопросам корректной регистрации сигналов фотопроводимости из объем_а_ исследуемых образцов. Приведены оптическая и электрическая схегш установки, а также ее основные характеристики. Обоснован выбор образцов широкозонных диэлектриков, использовавшихся в качестве объектов исследований.Приведены данные по фотопроводимости кристаллов КДР и ДКДР, свидетельствующие о реализации в них двухфотонных процессов возбуздения носителей (при 3 > 5 • 10^ ВТ/СУГ), В рубине обнарузкено уменьшение фотопроводимости при глногократном воздей-» - 10 ствии УФ излучения постоянной интенсивности, обусловленное образованием объемного заряда, что позволяет оценивать удельную проводимость у диэлектрических кристаллов с достаточно болыншл временем максвелловской рела1ссации ( ^ 10 с). При высоких интенсивностях УФ лазерного излучения ( J 10 Бт/см^) зарегистрирована фотопроводиглость кристаллов флюорита, связанная с ионизацией примесных состояний.В четвертой главе приводятся результаты экспериглентальных исследований эффекта увлечения носителей в поле электромагнитной волны и нелинейного поглощения энергии лазерного излучения (с применением оптоакустического метода) в щелочно-галоидных кристаллах в УФ диапазоне. Эти результаты в совокупности с экспериглентальны1ли данными по фотопроводшлости тех же кристаллов позволили надежно обосновать вывод о том, что при высоких интенсивностях лазерного излучения ( J > 1(УВт/с}г) доминирующихл процессом фотовозбуждения является двухфотонное рождение носителей в присутствии их квадратичной рекомб^шации.Приведенные в этой главе данные позволили оценить время жизни неравновесных носителей и величину коэффрщиента двз^хфотонного поглощения в исследованных кристаллах.В пятой главе дана теоретическая интерпретация наблюдаемых в щелочно-галоидных кристаллах закономерностей фотопроводимости на основе кинетической модели, включающей однофотонную ионизацшо примесей, двухфотонг^ую ионизащпо атомов кристалл1-1ческой решетки, линейную и квадратичную рекомбинацию носителей. Модель хорошо объясняет всю совокупность экспериглентальных данных. Эффект необраттюго увеличения фотопроводшлости интерпретирован кап результат радиационного роадения дефектов, связанного с процессом квадрати^шой электронно-дырочной рекомбинации. В Зашпочении сформулированы основные результаты и выводы диссертации. - I I