Ограничение излучения при двухфотонном межзонном поглощении.

Двухфотонное поглощение является существенно нелинейным процессом. Данный процесс возникает при выполнении условия E_g/2<hn<E_g (E_g - ширина запрещенной зоны полупроводника, hn - энергия фотона). Уравнение распространения излучения в среде с двухфотонным поглощением имеет вид:

Здесь a₁ и a₂ – коэффициенты линейного и двухфотонного поглощения соответственно. Из приведенного уравнения следует, что с ростом интенсивности пропускание среды уменьшается, то есть, происходит ограничение излучения.

Действительно, уже в первых экспериментах по исследованию двухфотонного поглощения в полупроводниках было обнаружено ограничение излучения [10]. У большинства полупроводников коэффициент двухфотонного поглощения весьма мал (см. табл. 1), поэтому влияние данного процесса на пропускание начинает проявляться при интенсивности излучения в несколько МВт/см². Из таблицы также следует, что перекрыть весь спектральный диапазон 0.4-1.1 мкм с помощью одного полупроводникового материала с двухфотонным поглощением невозможно. Так первые три материала позволяют получить ограничение в видимой области спектра. Последние два – в спектральном интервале 1-1.1 мкм.

Таблица 1. Коэффициенты двухфотонного поглощения некоторых полупроводников[11 - 14].

Ограничение излучения непосредственно за счет двухфотонного поглощения вряд ли представляет практический интерес для защиты фотоприемных устройств от воздействия интенсивного излучения. Это обусловлено следующими причинами: во-первых, в условиях двухфотонного поглощения на зависимости Е_вых(Е_вх) отсутствует резко выраженный порог ограничения (напр., [14]), во-вторых, ограничение наступает при достаточно высокой интенсивности падающего излучения и в-третьих – динамический диапазон ограничения невелик и ограничивается сверху порогом разрушения полупроводника излучением. Наконец, из-за низкого коэффициента двухфотонного поглощения эффективность ограничения уменьшается с увеличением длительности импульса света. Поэтому большинство экспериментальных результатов по ограничению при двухфотонном поглощении в видимой области спектра были получены для пикосекундных лазерных импульсов.

Более эффективное ограничение излучения происходит при использовании вторичного процесса, сопровождающего двухфотонное поглощение - фотогенерации свободных носителей заряда. Данный процесс приводит к изменению концентрации свободных носителей заряда, в результате чего изменяется комплексная диэлектрическая проницаемость полупроводника ε:

Из приведенного выражения видно, что увеличение концентрации носителей заряда приводит к уменьшению показателя преломления полупроводника. В результате, в области воздействия излучения в объеме полупроводника возникает отрицательная динамическая линза, на которой происходит дефокусировка излучения. Оптическая схема и принцип работы ограничителя излучения на основе самодефокусировки при двухфотонном поглощении показаны на рис. 1.

Рис. 1. Оптическая схема ограничителя на основе самодефокусировки излучения.

Ограничитель состоит из двухлинзового телескопа с действительным фокусом, в фокальной плоскости которого расположена пластина полупроводника. Апертура диафрагмы на выходе телескопа соответствует диаметру пучка при отсутствии дефокусировки (режим линейного пропускания). При возникновении отрицательной линзы в полупроводнике прошедший пучок дефокусируется, что приводит к уменьшению энергии излучения, проходящей через диафрагму.

В большинстве экспериментальных исследований ограничителя данного типа для видимой области спектра [15,16 - 20] использовался монокристаллический ZnSe. Эксперименты проводились при длительности лазерных импульсов 30-50 пс. В этих работах было выявлено сильное влияние на параметры ограничения геометрических размеров оптической схемы ограничителя, длины нелинейного кристалла и его положения относительной фокуса ограничителя. В работе [18] продемонстрирован ограничитель на основе ZnSe, обладающий наилучшими характеристиками (рис.2). Ограничитель представляет собой кристалл ZnSe со сферическими торцами, которые выполняют функцию линз (см. вставку в рис. 2, а). Порог ограничения в таком ограничителе для l=0.53 мкм и t=30 пс равен 10 нДж. Динамический диапазон ограничения – 10⁴. Коэффициент линейного поглощения монокристалла ZnSe на рабочей длине волны – 0.8 см^-1. На рис.2, б показано распределение зондирующего излучения на выходе ограничителя во время и после воздействия основного импульса излучения.

Рис. 2. а – ограничение излучения с длиной волны 0.53 мкм при самодефокусировке в условиях двухфотонного поглощения в монокристаллическом ZnSe. б – пространственное распределение излучения на выходе ограничителя.

На длине волны 1.06 мкм (длительность импульса излучения – 40 пс) в ограничителе на основе самодефокусировки излучения использовался монокристаллический GaAs [16]. Порог ограничения в данном случае был равен 0.5 мкДж. Динамический диапазон ограничения ~1000.

Приведенные характеристики ограничения сохраняются лишь в пикосекундном диапазоне длительностей импульсов излучения. При переходе в наносекундный диапазон, энергетический порог ограничения возрастает на 3-4 порядка, за счет уменьшения интенсивности излучения, влияния рекомбинации, диффузии неравновесных носителей заряда и компенсирующего действия тепловой линзы [21].

Важным свойством ограничителя данного типа, при использовании толстых полупроводниковых пластин, является его «самозащита» от разрушения излучением [18, 22]. Процесс дефокусировки приводит к уменьшению интенсивности излучения в области фокуса линз, в результате чего уменьшается лучевая нагрузка на наиболее уязвимую область нелинейного кристалла (см. рис.2, а).

Ограничитель излучения на основе самодефокусировки при двухфотонном поглощении в полупроводниках имеет следующие достоинства:

• Низкий порог ограничения.
• Высокое быстродействие.
• Большой динамический диапазон ограничения.
• Широкая спектральная область функционирования. Область ограничения определяется условием двухфотонного поглощения - E_g/2<hn<E_g. Для ZnSe это соответствует спектральному интервалу 0.5-0.85 мкм.
• Слабая температурная зависимость эффекта ограничения. Влияние температуры, в основном, проявляется через температурную зависимость ширины запрещенной зоны. Для большинства полупроводников величина dE_g/dt лежит в интервале (0.5-5)×10^-4 эВ/К [23].
• Высокий линейный коэффициент пропускания - 70-80 %.

К недостаткам ограничителя можно отнести необходимость использования оптической схемы, зависимость характеристик ограничения от пространственного распределения излучения на входе ограничителя, ухудшение характеристик ограничения в наносекундном диапазоне. Для ряда практических применений недостатком является также сильное искажение пространственного распределения прошедшего излучения.

Ограничение излучения при двухфотонном поглощении в полупроводниках было реализовано также и в двухпучковых схемах [24]. Пространственная модуляция прошедшего излучения обеспечивалась либо за счет формирования светоиндуцированной решетки, либо за счет дефокусировки на динамической отрицательной линзе, сформированной управляющим пучком, либо за счет градиента показателя преломления, созданного пространственно-неоднородным управляющим пучком. Во всех трех случаях было получено достаточно эффективное ограничения 1-микронного излучения пикосекундного диапазона в GaAs. Однако, необходимость расщепления падающего пучка приводит к усложнению оптической схемы ограничителя и потерям излучения в сигнальном пучке. Поэтому данные типы ограничителей вряд ли могут конкурировать с описанным выше ограничителем на основе самодефокусировки.