Исследование неравновесных состояний примесных центров в

Исследование неравновесных состояний
примесных центров в полупроводниках
с помощью лазеров на свободных электронах
В.Н.Шастин
Семинар проводиться по теме проекта, поддержанного Минобрнауки РФ
( соглашение о субсидии № 14.616.21.0008)
Краткая история ЛСЭ / FEL
Описан эффект Капицы-Дирака – вынужденное комптоновское рассеяние,
происходящее вследствие группировки электронов в поле стоячей
электромагнитной волны. П. Л. Капица и П. А. М. Дирак (1933)
Предложены устройства, в которых электроны летят по
периодически искривленной траектории и интенсивно излучают. Рассчитаны
параметры этого излучения – спектральные свойства и угловая направленность.
В.Л. Гинзбург (1947, для регистрации космических лучей)
Построена магнитная система, и названа "ондулятором" и поставлена на
электронный пучок линейного ускорителя. Измерены параметры излучения и
Экспериментально показано, что электроны в такой системе могут интенсивно
излучать. Г. Моц (50-е гг)
Построен генератор сантиметрового диапазона длин волн. Электроны проходили через
ондулятор, но электронный пучок имел довольно низкую энергию. Р. Н. Филлипс (1960)
Построен сверхпроводящий ондулятор. Использован очень хороший пучок из
сверхпроводящего высокочастотного ускорителя и продемонстрировали усиление
и генерацию электромагнитного излучения на трех микронах. Группа Д. Мэйди (1976)
Linac Coherent Light Source for X-ray. Stanford Linear Accelerator Center (2009)
ЛСЭ – основная идея
Эффект Доплера, 
Скорость электрона, v/c
ЛСЭ – энергии и частоты
1
E
0
0
2
4
m0 c 2
1 v / c
2
6
E, МэВ
2
8
10
4
3
2
1 v2 / c2
  0
v
1  cos 
c

1
0
0,0

0,2
0,4
0,6
0,8
Скорость электрона, v/c
1,0
ЛСЭ – география
FREE ELECTRON LASERS
LOCATION
NAME
WAVELENGTHS
TYPE
RIKEN (Japan)
SACLA FEL
0.63 - 3 Å
Linac
SLAC-SSRL (USA)
LCLS FEL
1.2 - 15 Å
Linac
DESY (Germany)
FLASH FEL
4.1 - 45 nm
SC Linac
ELETTRA Trieste, Italy
FERMI
4 - 100 nm
Linac
SDL(NSLS) Brookhaven (USA)
HGHG FEL
193 nm
Linac
iFEL (Japan)
FEL 1-5
230 nm - 1.2 µm
1 -100 µm
linac
Univ. of Hawaii (USA)
MK-V
1.7 - 9.1 µm
linac
Radboud University (Netherlands)
FLARE
FELIX1
FELIX2
327 - 420 µm
3.1 - 35 µm
25 - 250 µm
linac
LURE – Orsay (France)
CLIO
3 - 150 µm
linac
3.2 - 4.8 µm
363 - 438 nm
SC-linac
Jefferson Lab VA (USA)
Science Univ. of Tokyo (Japan)
FEL-SUT
5 - 16 µm
linac
FZ Rossendorf (Germany)
FELBE
4-22 µm
18-250 µm
SC-linac
ЛСЭ – география
FREE ELECTRON LASERS
LOCATION
NAME
WAVELENGTS
TYPE
UCSB CA (USA)
FIR-FEL
MM-FEL
30 µ-FEL
63 - 340 µm
340 µm - 2.5
mm
30 - 63 µm
electrostatic
LANL NM (USA)
AFEL
RAFEL
4 - 8 µm
16 µm
linac
Darmstadt Univ.(Germany)
IR-FEL
6.6 - 7.8 µm
SC-linac
IHEP (China)
Beijing FEL
5 - 25 µm
linac
CEA – Bruyeres (France)
ELSA
18-24 µm
linac
ISIR – Osaka (Japan)
21-126 µm
linac
JAERI (Japan)
22 µm
6 mm
SC-linac
induction
linac
43 µm
linac
47 µm
linac
65 - 75 µm
linac
KAERI (Korea)
80 - 170 µm
10 mm
microtron
electrostatic
Budker Inst. Novosibirsk,
Russia
110 - 240 µm
linac
200-500 µm
linac
3 mm
electrostatic
Univ. of Tokyo (Japan)
UT-FEL
ILE – Osaka (Japan)
LASTI (Japan)
Univ. of Twente (Netherlands)
Tel Aviv Univ. (Israel)
LEENA
TEU-FEL
ЛСЭ – достоинства и недостатки
– Большое перекрытие частотного диапазона
(FELIX1: 25 –250 мкм, FELIX2: 5 – 30 мкм
– Перестройка частоты путем изменения
энергии пучка (значительное изменение)
и/или конфигурации магнитов (до 2-х раз)
– Большая пиковая мощность (до 100 МВт FELIX)
– Импульсы пикосекундной длительности
– Нестабильность интенсивности выходного излучения ~10%
–Большая ширина линий (0,4% – 7%)
– Громоздкость системы
– Проблема доступности
ЛСЭ – спецификация FELIX
FELIX specifications
wavelenght range
3-250 µm
continuous tuning range
factor 3
micropulse energy
1 - 50 µJ
micropulse power
0.5 - 100 MW
micropulse repetition rate
1 GHz or 25 MHz
macropulse repetition rate
5 (10) Hz
micropulse duration
6 - 100 optical cycles
macropulse duration
< 10 µs
spectral bandwidth
0.4 - 7 %
polarization (linear)
> 99 %
5пс
1нс
5пс
ЛСЭ – Примеры использования
Стимулированное излучение доноров в кремнии
ЛСЭ – Примеры использования
Стимулированное излучение доноров в кремнии
frequency (THz)
Si laser emission (a.u.)
3,6
4,2
4,8
5,4
6,0
6,6
7,2
160
180
200
-1
wavenumber (cm )
220
240
Si:As
Si:Bi
Si:P
Si:Sb
120
140
ЛСЭ – Примеры использования
Стимулированное излучение
доноров в кремнии
Спектры стимулированного ТГц излучения
из Si:Sb
(плотность потока накачки NL ~ 1025 см-2с-1)
при внутрицентровом возбуждении.
ЛСЭ – Примеры использования
Фотонное эхо.
ЛСЭ – Фотонное эхо
Time (ps)
ЛСЭ – Схема одноцветного «памп-проб»
Beam
splitter
ЛСЭ – «Памп-проб»
Si:As
probe transmition (a.u.)
0.5
probe attenuation
0 dB
continuum
20 dB
3p0
0.4
2p
0.3
2p0
0.2
0.1
1s(E)
0.0
-100
0
100 200 300 400
probe delay (ps)
500
1s(T2)
cont ~ 115 ps
1s(A1)
4p0
3s
2s
ЛСЭ – «Памп-проб»
probe transmission (a.u.)
Si:As
f-LA phonon?
0,0
3p0
2p
4p0
3s
2s
2p0
of resonance
0
- 0.11 meV
+ 0.08 meV
-0,1
0
100
200
probe delay (ps)
300
1s(E)
1s(T2)
f-LA ~ 6/400 ps
1s(A1)
f-LA
ЛСЭ – «Памп-проб»
Probe attenuation
20 dB
20 dB (smaller steps)
17 dB
15 dB
0 dB
probe transmission (a.u.)
1.0
0.8
0.6
4p
3p0 0
2p
3d0
3s
2p2p0 0
0.4
0.2
1s(E)
0.0
-200 -100
1s(T2)
0
100
200
300
400
probe delay (ps)
500
600
700
1s(A1)
2p0 = 68 ps
Si:P
2s
ЛСЭ – Насыщение поглощения
Measurement of lifetime for the 2p0 state in Si:P by optical
saturation experiments (FEL) :
Geerinck et al., Nuclear Instr. & Methods in Phys. Research A 341, 162 (1994).
Is~1.8 kW  2p0~5 µsec
Geerinck, PhD, 2p0~0.6 µsec