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