Erzeugung der Dritten Harmonischen in Silizium und Photonischen Kristallen aus makroporösem Silizium im spektralen mittleren IR-Bereich
Creators: name: Mitzschke, Kerstin
Publisher: name: Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen-Anhalt
Year: 2007
Subjects: subject: Silicium
subject: Photonischer Kristall
subject: Nichtlineare Optik
subject: MIR
subject: Elektronische Publikation
subject: Hochschulschrift
subject: Online-Publikation
subject: Zsfassung in engl. Sprache
subject: 537.6226

description: Nichtlineare optische Prozesse sind nichtinvasive und leistungsstarke Methoden zur Analyse von Oberflächen- oder Bulk-Eigenschaften von Festkörpern. In zentrosymmetrischen Materialien, wie Silizium, treten geradzahlige nichtlineare optische Prozesse nicht auf. Daher sind hier optische Nichtlinearitäten ungerader Ordnung zu beobachten. Neben Selbstfokussierung oder Selbstphasenmodulation ist die Erzeugung der Dritten Harmonischen ein einfacher Prozess, der untersucht werden kann. In dieser Arbeit wird gezeigt, dass man mit Hilfe der Erzeugung der Dritten Harmonischen Informationen über Bulk-Strukturen von Silizium und Photonischen Kristallen, die aus Silizium bestehen, erhält. Bisher wurden Untersuchungen im sichtbaren Spektralbereich durchgeführt. Hierbei war man durch die linearen Absorptionsverluste limitiert. Die Ausdehnung der Erzeugung der Dritten Harmonischen auf den spektralen Infrarot-Bereich ermöglichte es, Photonische Kristalle, deren Photonische Bandlücke im IR-Bereich liegt, zu untersuchen. Mittels eines photoelektrochemischen Ätzprozesses wurden 2-dimensionale (2D) Photonische Kristalle aus makroporösen (100)-orientierten Silizium-Wafern hergestellt und untersucht. Die Photonischen Kristalle unterscheiden sich in der Art der Porenanordnung, quadratisch oder hexagonal, den Porenlängen bzw. -durchmessern und den Gitterkonstanten. Eine typische Periodizität der Strukturen ist 2 μm. Die Porenlängen reichen von 10 μm bis zu 400 μm. Aus Stabilitätsgründen ist die photonische Struktur auf ein Silizium-Substrat mit einer Mindestdicke von 100 μm aufgebracht. Das verwendete Laser-Setup liefert durchstimmbare ps-Impulse im Spektralbereich von 1500-4000 cm-1. Der IR-Impuls wird entweder senkrecht zur Probenoberfläche oder unter einem Winkel θ auf die Probe eingestrahlt. Die Probe wird um ihre Oberflächennormale gedreht und dabei die Intensität der Dritten Harmonischen in Abhängigkeit des Azimutwinkels φ beobachtet. Es wurden Reflexions- und Transmissionsexperimente durchgeführt. Kontrollexperimente an kristallinem (Bulk)-Silizium zeigen in Reflexion und Transmission die theoretisch zu erwartenden Ergebnisse, eine 4- bzw. 8-zählige Winkelabhängigkeit, deren Ursache in der Struktur des χ(3)-Tensors liegt. Dies ändert sich dramatisch, wenn man Photonische Kristalle mit hexagonaler Struktur untersucht. Im Reflexionsexperiment wird eine 6-zählige Winkelabhängigkeit beobachtet. Dies kann durch die makroskopische Symmetrie des Kristalls erklärt werden. Wechselt man in den Transmissionsmodus ergeben sich interessante Abweichungen. Zusätzlich ist das Ergebnis abhängig von der Einstrahlrichtung in den Kristall – Einstrahlung von der Struktur- oder Bulkseite. Bei beiden Einstrahlrichtungen zeigt sich eine 6-zählige Symmetrie, die jedoch unterschiedlich moduliert ist. Die Ursache der Modulation liegt hier in der Kombination der Dritten Harmonischen von Struktur und Bulk, d.h. im Kristall wird eine Dritte Harmonische im Bulk und in der Struktur generiert. Die Überlagerung beider Felder wird emittiert. Ein Modell, das diese Effekte beschreibt, erfordert die Berücksichtigung von Bulk und Struktur. Eine erste theoretische Beschreibung dazu wurde in der vorliegenden Arbeit aufgestellt.
description: Nonlinear optical spectroscopy is a powerful method to study surface or bulk properties of condensed matter. In centrosymmetric materials like silicon even order nonlinear optical processes are forbidden. Besides self-focussing or self phase modulation third-harmonic-generation (THG) is the simplest process that can be studied. This work demonstrates that THG is a adapted non-contact and non-invasive optical method to get information about bulk structures of silicon and Photontic crystals (PC), consisting of silicon. Until now most studies are done in the visible spectral range being limited by the linear absorption losses. So the extension of THG to the IR spectral range is extremely useful. This will allow the investigation of Photonic Crystals, where frequencies near a photonic bandgap are of special interest. 2D- photonic structures under investigation were fabricated via photoelectrochemical etching of the Si (100) wafer (thickness 500 μm) receiving square and hexagonal arranged pores. The typical periodicity of the structures used is 2 μm and the length of the pores reached to 400 μm. Because of stability the photonic structures were superimposed on silicon substrate. The experimental set-up used for the THG experiments generates tuneable picosecond IR pulses (tuning range 1500-4000 cm-1). The IR-pulse hit the sample either perpendicular to the sample surface or under an angle θ. The sample can be rotated (φ) around the surface normal. The generated third harmonic is analysed by a polarizer, spectrally filtered by a polychromator and registered by a CCD camera. The setup can be used either in transmission or in reflection mode. Optical transmission and reflection spectra of the Si bulk correspond well with the theoretical description, a 4-fold and a 8-fold dependencies of the azimuth angle resulting in the structure of the χ(3)-tensor of (100)-Si. The situation changes dramatically if the PC with hexagonal structure is investigated. In reflection mode a six fold symmetry is observed. This can only be explained by the symmetry of the Photonic Crystal. Changing the transmission mode the result depends on the mount of the PC – fundamental entering from the structure side or fundamental entering from the bulk side. Common to both results are there six maxima. To explain the difference between the transmission and reflection results one has to recognise, that the effective interaction length is limited: so in the reflection geometry of generated TH is from the structured region, whereas in the transmission cases a combination of the structure and the bulk has to be taken into account. This work gives a first theoretical description of this effects.