Применение лазеров на свободных Электронах ЛСЭ для исследования

Применение лазеров на свободных Электронах (ЛСЭ) для исследования мелких примесных центров в полупроводниках В. Н. Шастин Р. Х. Жукавин 1, В. В. Цыпленков 1, К. А. Ковалевский 1, Ю. А. Астров 4, H. -W. Hübers 2, S. G. Pavlov 2, N. V. Abrosimov 3, N. Deβmann 5 1 Institute IPM RAS for Physics of Microstructures, Russian Academy of Sciences, Nizhny Novgorod, Russian Federation 2 Institute of Planetary Research, Germany Aerospace Center, Berlin, Germany 3 Institute of Crystal Growth, Berlin, Germany 4 Физико-технический 5 Humboldt-Universität институт им. А. Ф. Иоффе РАН, zu Berlin Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) Семинар проводиться по теме проекта, поддержанного Минобрнауки РФ 1 (соглашение о субсидии № 14. 616. 21. 0008)

История ЛСЭ / FEL Эффект Капицы-Дирака – вынужденное комптоновское рассеяние, происходящее вследствие группировки электронов в поле стоячей электромагнитной волны. П. Л. Капица и П. А. М. Дирак (1933 г. ) Предложены устройства, в которых электроны летят по периодически искривленной траектории и излучают. Рассчитаны параметры этого излучения – спектр и угловая направленность. В. Л. Гинзбург (1947 г. , для регистрации космических лучей) Построена магнитная система ( «ондулятор» ) и поставлена на электронный пучок линейного ускорителя. Измерены параметры излучения и показано, что электроны в такой системе могут интенсивно излучать. H. Motz (1953 г. Stanford) Построен сверхпроводящий ондулятор. Использован очень хороший пучок из сверхпроводящего высокочастотного ускорителя, продемонстрировано усиление и генерация электромагнитного излучения с длиной волны ~3 мкм. Группа J. Madey ( 1976 г. - FEL , Stanford) Linac Coherent Light Source for X-ray. Stanford Linear Accelerator Center (2009 г. Stanford ) 2

ЛСЭ – основная идея 3

ЛСЭ – энергии и частоты 4

Δυ Спектр спонтанного излучения Сечения усиления О. Звелто, Принципы лазеров 5

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 i. FEL (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 FELIX 1 FELIX 2 327 - 420 µm 3. 1 - 35 µm 25 - 250 µm linac LURE – Orsay (France) CLIO 3 - 150 µm linac Jefferson Lab VA (USA) 3. 2 - 4. 8 µm 363 - 438 nm SC-linac Science Univ. of Tokyo (Japan) FEL-SUT 5 - 16 µm linac 4 -22 µm 6

ЛСЭ – география FREE ELECTRON LASERS LOCATION NAME WAVELENGTS TYPE UCSB CA (USA) FIR-FEL MM-FEL 30 µ-FEL 63 - 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 Univ. of Tokyo (Japan) UT-FEL 43 µm linac ILE – Osaka (Japan) 47 µm linac LASTI (Japan) LEENA 65 - 75 µm linac KAERI (Korea) 80 - 170 µm 10 mm microtron electrostatic Budker Inst. Novosibirsk, Russia 90 - 240 ; 30 -90 5 -30 µm linac Univ. of Twente (Netherlands) TEU-FEL 200 -500 µm linac Tel Aviv Univ. (Israel) 3 mm electrostatic 7

ЛСЭ – достоинства и недостатки – Большое перекрытие частотного диапазона (FELIX 1: 25 – 250 мкм, FELIX 2: 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 – Низкий КПД 8

ЛСЭ – спецификация FELIX 9

ЛСЭ – спецификация FELIX Wavelenght range 4 -250 µm 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 ~5 - 10 ps Macropulse duration < 10 µs Spectral bandwidth 0. 4 - 7 % Polarization (linear) > 99 % 10

The U 100 -FEL, the FEL for the far infrared (18 -250μm) The U 27 -FEL the FEL for the mid-infrared (3. 5 -22μm) 11

Parameters of the ELBE radiation • Wavelengthrange 4 - 22 μm 18 - 250 μm U 27 -FEL with undulator U 27 U 100 -FEL with undulator U 100 Pulse energy 0. 01 - 2 μJ depending on wavelength Pulse length 1 - 25 ps depending on wavelength Repetition rate 13 MHz • 3 modes: cw • macropulsed > 100 μs, < 25 Hz • single-pulse switched at k. Hz/Hz 12

Новосибирский ЛСЭ Первая очередь 90 – 240 мкм 14

Новосибирский ЛСЭ Вторая очередь 30 – 90 мкм Третья очередь 5 – 30 мкм 15

Новосибирский ЛСЭ 2 nd THZ laser cavity MIR laser cavity e-beam accelerator undulator THz laser cavity 16

Новосибирский ЛСЭ <P> = 10 – 100 W 17

Novo. FEL Output power instability ~10% 18

1. Стимулированное излучение доноров в кремнии 19

Стимулированное излучение доноров в кремнии (накачка СО 2 лазер) 20

ЛСЭ – Примеры использования Стимулированное излучение доноров Si: Sb в кремнии Спектры стимулированного ТГц излучения из Si: Sb (плотность потока накачки NL ~ 1025 см-2 с-1) при внутрицентровом возбуждении. 21

ЛСЭ – Примеры использования Dependence of Si: P laser frequency on the excited states Laser frequency, me. V Pump 34, 13 me. V 171 cm-1 Pump 35, 13 me. V 180 cm-1 Wavenumber, cm-1 22

ЛСЭ – Примеры использования Si: P emission spectra under intracentre pumping 2 p 0 180 cm-1 1 s(T 2) 1 s(E) 171 cm-1 23

ЛСЭ – Схема одноцветного метода «памп-проб» Beam splitter 24

ΔP/P~10 -3 25

Pump-Probe-Experiment @ ELBE Lock-in ΔP/P~10 -3 26

ЛСЭ – «Памп-проб» Si: P 2 p 0 = 68 ps 27

Pump-probe measurements on Si: P 2 p 0 2 p± 2001 – 2002 years 28

Pump-probe measurements Si: As 2 p 0 2 p± 2001 – 2002 years 29

Pump-probe: shallow donors in silicon Si: P : 1 s(A 1) → 2 p 0 Silicon as a model ion trap: Time domain measurements of donor Rydberg states, N. Q. Vinh, P. T. Greenland, K. Litvinenko, B. Redlich, A. F. G. van der Meer, S. A. Lynch, M. Warner A. M. Stoneham, G. Aeppli, D. J. Paul, C. R. Pidgeon and B. N. Murdin‡, PNAS (2008) 30

Pump-probe: 28 Si: P 1 s(A 1) → 2 p 0 Isotope effect on the lifetime of the 2 p 0 state in phosphorus-doped silicon H. -W. H¨ubers, S. G. Pavlov, S. A. Lynch, Th. Greenland, K. L. Litvinenko, B. Murdin, B. Redlich, A. F. G. van der Meer, H. Riemann, N. V. Abrosimov, P. Becker, H. -J. Pohl, R. Kh. Zhukavin, and V. N. Shastin, PHYSICAL REVIEW B 88, 035201 (2013) 31

ЛСЭ – «Памп-проб» Si: As continuum cont ~ 115 ps 32

ЛСЭ – «Памп-проб» Si: As f-LA ~ 6/400 ps 33

Pump-probe Si: Mg 1. 5 ns 34

35

Спектр поглощения доноров Mg в кремнии 36

Pump-probe: uniaxially stressed Si: P 37

Pump-probe: Ge: Sb Novo. FEL 38

ЛСЭ – Насыщение поглощения Measurement of lifetime for the 2 p 0 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 k. W 2 p 0~5 µsec Geerinck, Ph. D, 2 p 0~0. 6 µsec 39

ЛСЭ – Примеры использования Фотонное эхо. 40

ЛСЭ – Фотонное эхо Time (ps) 41

42

43

44

45

Спасибо за внимание! 46

Новосибирский ЛСЭ 90 – 240 mm Vertical plane Horizontal plane In operation since 2003 90 – 240 mm Energy recovery linac In operation since 2009 Radiation obtained 47

Новосибирский ЛСЭ 48