Элементы сверхпроводящей электроники. Динамика кристаллической решетки. Магнитные квантовые эффекты в полупроводниках, страница 17

Рассмотрим важные особенности метода ВКР – усиления, характеризующие процессы, возникающие при его реализации. Мощное лазерное излучение накачки ω_Н = ω₁ нелинейно поляризует среду, испытывая рассеяние. Слабое тестовое излучение ω_Т = ω₂ при определенных условиях может усиливаться. Рассмотрим процесс усиления тестовой волны.

Компоненты нелинейной составляющей вектора поляризованности среды  имеют вид

                  ,                        (20.45)

где  - тензоры диэлектрической восприимчивости.

Суммирование в (20.45) проводится по повторяющимся индексам. Дифференцируя нелинейное уравнение Максвелла для и заменяя , получаем нелинейное волновое уравнение для суммарного электрического поля  волны, направленной по оси Z,

                  ,              (20.46)   где    

            (20.47)

Последний член в (20.45) ответственен за генерацию средой волн с различной комбинацией частот. В третьем порядке взаимодействия нелинейная восприимчивость  имеет резонанс и возможны волны с комбинацией частот

                   .                             (20.48)

Если в образце полупроводника имеется спектр электронных состояний с переходом между уровнями (в нашем случае спиновыми подуровнями Ландау) , то при выполнении резонансного условия

                                                                                    (20.49)

происходит резонансное возрастание неупругого взаимодействия между падающими волнами и полупроводником. В методе ВКР – усиления происходит возрастание интенсивности тестового излучения на стоксовой частоте . И вынужденное рассеяние излучения  происходит на когерентно сфазированных по всему объему образца спиновых переходах электронов с нижнего подуровня на верхний подуровень Ландау. В результате интенсивность стимулированной компоненты рассеянного излучения, регистрируемого методом ВКР – усиления, увеличивается на несколько порядков по сравнению с интенсивностью спонтанного комбинационного рассеяния.

Для наблюдения возбуждения резонансного перехода  необходимо следить за полной интенсивностью двух волн, проходящих через образец полупроводника. Если отстроиться от резонанса (20.49), изменив, например, , то потери уменьшатся. Таким образом, наблюдение резонанса состоит в пропускании совмещенных в пространстве двух лучей  и  сквозь исследуемый образец на фотоприемник (рис. 20.12а) и регистрации сигнала с фотоприемника, характеризующего резонансное увеличение поглощения энергии волн накачки при изменении  и выполнении условия (20.49). В методе ВКР – усиления использован другой подход: частоты лазеров  и  лишь изменяются дискретно, а в процессе наблюдения резонансной линии остаются стабильными. Плавным изменением магнитного поля В, в которое помещен образец, происходит подстройка среды под условие резонанса (20.49) изменением

                                  ,                                              (20.50)

где * - эффективный фактор Ланде ( - фактор свободных электронов вырожденного полупроводника),  - магнетон Бора. 

При резонансе не только возрастают потери энергии волны накачки , но и происходит перекачка энергии мощной волны с большей частотой  в тестовую волну  с меньшей частотой. В этом заключается сущность метода ВКР – усиления.

На рис. 20.12а изображена схема метода ВКР усиления. Излучение накачки с частотой  фокусируется линзой на образец антимонида индия (n – InSb) Входная “А” и выходная “В” грани образца образуют резонатор Фабри-Перо. Если интенсивность волны накачки выше порогового значения, то даже при выключенном лазере L_Т на выходе исследуемого образца будет наблюдаться стоксова компонента рассеяния с частотой , а при большой мощности волны накачки проявится и антистоксовая компонента .