Terahertz Stimulated Emission from Silicon Doped by Hydrogenlike Acceptors

Abstract

Stimulated emission in the terahertz frequency range has been realized from boron acceptor centers in silicon. Population inversion is achieved at resonant optical excitation on theintracenter transitions with a midinfrared free-electron laser. Lasing occurs on two intracenter transitions around 1.75 THz. The upper laser levels are the 1Γ − 7 , 1Γ − 6 , and 4Γ − 8 states, and the lower laser level for both emission lines is the 2Γ þ 8 state. In contrast to n-type intracenter silicon lasers, boron-doped silicon lasers do not involve the excited states with the longest lifetimes. Instead, the absorption cross section for the pump radiation is the dominating factor. The four-level lasing scheme implies that the deepest even-parity boron state is the 2Γ þ 8 state and not the 1Γ þ 7 split-off ground state, as indicated by other experiments. This is confirmed by infrared absorption spectroscopy of Si:B.

Поглощение И Излучение В Терагерцовом Диапазоне Частот При Фотоионизации Акцепторов В Одноосно-Деформированном Кремнии

“…Ксожалению, авторам не удалось провести спектральные измерения излучения ввиду его малой интенсивности. Как уже было сказано, эксперимент [6] показал, что стимулированный эффект возникает лишь при резонансной накачке в линии 4 серии Лаймана акцептора (комбинированное состоя-ние 1Ŵ результата можно было бы предложить отсутствие в данном эксперименте вакуумного тракта от источника излучения до оптического криостата с образцом, что могло существенно снизить доставляемую мощность при накачке в линиях 1 и 2 ввиду поглощения водяными парами. В свою очередь, сила линии 3 могла оказаться недостаточной для эффективной накачки, несмотря на отсутствие близко расположенных линий водяных паров.…”

“…Это предположение качественно подтверждается рис. 2 работы [6], где указано положение линий поглощения паров воды. С другой стороны, измерения методом проб-ного импульса (pump-probe) обнаружили тенденцию к уменьшению времени релаксации при возбуждении нечетных состояний в атоме бора при уменьшении их энергии связи [11].…”

“…1) (энергия ионизация центра 45 мэВ). В отличие от доноров пятой группы, где генерация была получена как для внутрицентрового возбуждения, так и для ионизации, лазерный эффект для акцепторов наблюдается лишь при возбуждении вблизи линии 4 (состояния 1Ŵ [6]. Спектр стимулированного излучения пред-ставлен одной линией на частоте 1.7 ТГц (7.2 мэВ).…”

Внутрицентровая Релаксация Мелких Доноров Мышьяка В Деформированном Германии. Инверсия Населенностей При Оптическом Возбуждении

“…В группе Института физики микроструктур РАН уже на протяжении ряда лет разрабатываются альтернативные источники терагерцового (ТГц) излучения, в которых рабочими являются внутрицентровые переходы мелких примесных центров в кремнии. К настоящему времени реализовано стимулированное излучение доноров V группы (сурьма, фосфор, мышьяк, висмут) и акцепторов бора в объемном кремнии при оптическом возбуждении и, в частности, при фотоионизации этих центров излучением TEA CO 2 -лазера [7,8]. Изучены оптимальные условия генерации в условиях одноосной деформации, достигнуто существенное увеличение коэффициента усиления и снижения внутренних потерь в образцах [9].…”

Textured semiconductors for enhanced photoconductive terahertz emission

“…Since their emergence, mode-locked ultrafast oscillating lasers have enabled many pursuits in science, e.g., ultrafast material characterization studies [1,2], advancements in surgical instrumentation [3], and the detection and generation of radiation in the terahertz (THz) portion of the electromagnetic spectrum [4]. The frequencies from 0.1-10 THz (or wavelengths from 30-3,000 μm) define the THz spectrum and have received considerable attention in past decades [5][6][7][8][9]. Technologies involving THz radiation have provided numerous advancements in applications of applied science, e.g., tomography [10], characterization of semiconductors [11,12], security [13], and many biomedical applications, e.g., medical imaging [14], medical diagnosis [15], and analyses of DNA [16].…”