Details

Предмет исследования. Нелинейные оптические свойства массивов кремниевых нитевидных нанокристаллов, сформированных методом травления в индуктивно-связанной плазме диаметром 80 нм и высотой 1,3 мкм, инкапсулированные в полидиметилсилоксан. Цель работы. Разработка преобразователя инфракрасного излучения в видимый диапазон на основе гибких полимерных мембран большой площади, инкапсулирующих массивы кремниевых нитевидных нанокристаллов. Диагностика нелинейных оптических свойств массивов нитевидных нанокристаллов, определение механизма преобразования падающего инфракрасного излучения в оптические гармоники высших порядков видимого спектрального диапазона, оценка эффективности генерации второй гармоники. Метод. Возбуждение генерации второй гармоники в области расширенного видимого спектрального диапазона с использованием параметрического усилителя для прецизионного выбора длины волны возбуждения в широком спектральном диапазоне позволяет исследовать нелинейные эффекты разных порядков, а также работать вблизи волноводных резонансов нанокристаллов. Нелинейно-оптические исследования мембран, содержащих кремниевые нитевидные нанокристаллы в полимере, проводились с помощью лазерного сканирующего микроскопа. Через внешний порт акустооптического модулятора микроскопа подавались фемтосекундные лазерные импульсы. Основные результаты. Исследование преобразователей инфракрасного излучения в видимый диапазон на основе кремниевых нитевидных нанокристаллов мотивировано работами по генерации второй гармоники на поверхности кремния и в объёмном кремнии при наличии встроенных электрических полей. Предложенные методы отличаются от рассматриваемых в данной статье как материалами, так и методами диагностики: ранее изучались свойства планарных резонаторов, изготовленных стандартными методами процессирования и паттернирования тонких плёнок, а генерация второй гармоники возникает главным образом в объёмном кремнии, в котором необходимый параметр c(2) возникает при приложении внешнего электрического поля или механического напряжения. Стоит отметить, что спектральная область сигнала второй гармоники лежит в диапазоне окна прозрачности оптического волокна, а диагностика выполнена в современной экспериментальной установке с перестраиваемой длиной волны. Таким образом, в данной работе продемонстрирована усиленная генерация второй гармоники в структурах нового дизайна мембран массивов кремниевых нитевидных нанокристаллов в прозрачном силоксане. В эксперименте обнаружен эффект активации генерации второй гармоники при облучении фемтосекундными лазерными импульсами, приводящий к значительному и необратимому увеличению сигнала генерации второй гармоники, который может быть связан с реструктуризацией поверхностного материала и электро-индуцированной второй гармоникой из-за зарядки электронных ловушек в приповерхностном слое кристалла. Практическая значимость. Полученные результаты представляют новые подходы к проектированию и производству преобразователей инфракрасного диапазона в видимый свет.

The subject of study is nonlinear optical properties of arrays of silicon filamentary nanocrystals formed by etching in inductively coupled plasma using a microsphere mask with a diameter of 80 nanometers and height of 1.3 micrometers, encapsulated in polydimethylsiloxane. The aims of study are: the development of a converter of IR radiation into the visible range based on flexible polymer membranes of large area encapsulating arrays of silicon filamentary nanocrystals; the diagnostics of nonlinear optical properties of arrays of filamentary nanocrystals, the determination of the conversion mechanism of incident IR radiation into the optical harmonics of higher orders of the visible spectral range, the estimation of the second harmonic generation efficiency. Method. Excitation of the second harmonic generation in the extended visible spectral range using a parametric amplifier for precise selection of excitation wavelength in a wide spectral range allows us to study nonlinear effects of different orders and to work near the electric and magnetic resonances of nanocrystals. Nonlinear optical studies of membranes of silicon filamentary nanocrystals in polymer were carried out using a laser scanning microscope. Femtosecond laser pulses were applied through the external port of the microscope acousto-optic modulator. Main results. The study of the infrared-to-visible range converters based on silicon filamentary nanocrystals is motivated by the works on second harmonic generation on the silicon surface and in bulk silicon under the external displacement. The proposed methods differ from those considered in this paper in both materials and diagnostic methods: the properties of planar resonators fabricated by standard methods of the thin film processing and patterning were studied earlier, while the second harmonic generation occurs mainly in bulk silicon, in which the necessary parameter c(2) arises when the external electric field or mechanical voltage is applied. It is worth noting that the spectral region of the second harmonic signal lies within the range of the optical fiber transparency window, and the characterization is performed in a unique experimental setup with tunable wavelength. Thus, this work demonstrates the enhanced second harmonic generation in structures fundamentally new in the method of obtaining and analyzing nonlinear effects of silicon filamentary nanocrystals membranes in polymer. In the experiment the effect of irradiation with femtosecond laser pulses leading to a significant and irreversible increase of the second harmonic generation signal was found, which is related to the restructuring of the surface material and electro-induced second harmonic due to charging of electron traps in the near-surface layer of the crystal. Practical significance. The obtained results represent new approaches to the design and manufacture of converters of infrared range into visible light.