Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
При однофотонном возбуждении полоса люминесценции, как правило, смещена в длинноволновую часть спектра по отношению к частоте возбуждающего света coj. Поэтому сам*, факт появления люминесценции с энергией фотонов й(ол>'. >й(0] можно рассматривать как первый признак двухфотон- ¦ ного поглощения. Второй признак связан с различной зависимостью мощности люминесценции от интенсивности падающего света при одно- и двухфотонном возбуждениях.
Поскольку энергия возбуждения трансформируется в кристалле по многим каналам, то зависимость мощности одной полосы фотолюминесценции от мощности поглощения
в общем случае на отдельных участках кривой можно аппроксимировать формулой
= Л (16.15)
где т)л—средний по полосе энергетический выход люминесценции. j
269
Раскрывая (16.15) для одно- и двухфотонного поглощения с учетом (16.11), находим
W"> =ryiSn, (16.16)
W^2)= (16.17)
Следовательно, при двухфотонном поглощении показатель степени в формуле (16.15) в два раза больше, чем при однофотонном возбуждении одной и тон же полосы люминесценции.
Люминесценция возникает в результате спонтанных оптических переходов в веществе. Поэтому ее спектр не должен зависеть от способа возбуждения, если только люминесценция во всех случаях обусловлена одним и тем же механизмом. Действительно, иногда отмечается, что спектры фотолюминесценции сульфида кадмия [462], германия [477] и некоторых других полупроводников при одно- и двухфотонном возбуждениях практически совпадают между собой. Однако двухфотонное поглощение обладает и весьма важной спецификой. Оно позволяет производить объемное возбуждение полупроводника, так как падающий свет распространяется в слабо поглощающей среде и глубоко проникает в нее. При сднофотонном возбуждении люминесцирует в основном только приповерхностный слой. Как уже неоднократно отмечалось (§ 10, 11), оптические свойства этого слоя могут значительно отличаться от свойств кристалла в целом. Поэтому на опыте часто наблюдается сильное изменение спектра люминесценции при переходе от однофотонного к двухфотонному возбуждению.
На рис. 81 показаны спектры фотолюминесценции монокристалла CdS, полученные при 77 °К и возбуждении линией ртути (Я = 3660 А) и излучением рубинового лазера с импульсной добротностью (^ = 6943 А) [478]. При однофотонном воз-
Рис. 81. Спектры фотолюминесценции одного из образцов CdS при однофотонном (/) и двухфотонном \2, 3) возбуждении: 2 — SB = 2,3 Мвт/см2;
3 — 5В = 20 Мет/см2
270
буждении наблюдается интенсивная голубая полоса люминесценции, соответствующая бесфононной аннигиляции экситона А (Л = 4870А), слабая линия его фононного повторения (^,=4940 А) и слабо выраженная зеленая полоса, обусловленная рекомбинацией свободных электронов с дырками, захваченными на примесные уровни.
При двухфотонном возбуждении полоса бесфононной аннигиляции экситона отсутствует для всех плотностей возбуждающего света вплоть до пороговых значений, когда разрушается поверхность кристалла [478, 479]. В голубой области спектра наблюдаются две узкие полосы, одна из которых отсутствовала при возбуждении излучением ртутной лампы. Анализ этих полос показывает, что они связаны с излучением свободного экситона с испусканием одного или двух фононов (см. § 8). По-видимому, дефекты приповерхностного слоя обеспечивают выполнение закона сохранения импульса для большего числа экситонов, поэтому бесфононная линия и наблюдается только при однофотонном возбуждении. Так или иначе различие в спектрах люминесценции при одно- и двухфотонном возбуждениях связано с тем, что в первом случае светится приповерхостный слой, а в другом—весь объем кристалла.
Фотопроводимость при двухфотонном возбуждении изучена в фосфиде галлия [480], теллуриде цинка [480 а, 481] и других полупроводниках. Двухфотонное поглощение представляет особый интерес для возбуждения генерации в полупроводниках [481] (гл. IV).
Прохождение ультракоротких импульсов света через полупроводниковые кристаллы. В работе [482] теоретически предсказано, а в [483] экспериментально обнаружено явление самоиндуцированной прозрачности среды при прохождении через нее ультракоротких импульсов света. Это явление отличается от обычного насыщения поглощения и наблюдается при выполнении двух условий. Во-первых, длительность светового импульса т должна быть много меньше периода Т2 самого быстрого релаксационного процесса в среде:
т«Т2. (16.18)
Во-вторых, безразмерная площадь импульса 'Оо при однофотонном поглощении должна удовлетворять условию
00
0(z)= |<?(г, t)dt>n, (16.19)
—оо
где \р\ — модуль матричного элемента дипольного момента перехода;^1 (z, t) —напряженность электрического поля све- „
271
товой волны в точке z в момент времени t. Для двухфотонного поглащения второе условие аналогично (16.19), только вместо р стоит составной матричный элемент, а под знаком интеграла — напряженность электрического поля в квадрате.
Самопрозрачность первоначально была обнаружена при прохождении пикосекундных импульсов излучения рубинового лазера через рубиновые стержни [483] и импульсов излучения С02-лазера (т = 200—300 нсек) через газ SFg [484]. Теория явления для полупроводников развита в [485—488].
