励起子共鳴領域におけるフェムト秒パルスの異常伝搬

飞秒脉冲在激子共振区的反常传播

基本信息

批准号：
14654056
负责人：
江馬一弘
金额：
$ 2.11万
依托单位：
Sophia University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Exploratory Research
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2003
项目状态：
已结题

项目摘要

物質中での光パルスの伝搬は、波数kとエネルギーωの分散関係がわかっていれば、基本的に理解できる。しかし、共鳴領域におけるフェムト秒パルスの伝搬では、パルスが単純に群速度で伝搬するという描像は成り立たなくなる。半導体・絶縁体での励起子共鳴領域では光パルスは励起子ポラリトンとなって物質内を伝搬するが、ポラリトン以外にも奇妙な伝搬波形が2種類観測されている。それは、ポラリトンパルスの前にそれよりも速く伝搬する比較的大きなピークと真空中の光速よりも速く伝搬しているように見える小さなピークの2つである。この2つのピークはこれまでの研究で、プリカーサーとsuperluminal伝搬パルスであることが判明した。以下に具体的な研究成果を述べる。(1)透過波形の時間分解スペクトル波形を測定し、二つのピークのスペクトル成分を調べた。この結果より、速く伝搬する成分のうち大きな方のピークは低周波数成分から構成されており、20世紀の始めに理論的に研究されていたプリカーサーであることが判明した。(2)入射パルスのエネルギー、強度、パルス波形、および試料の温度、厚さなども変化させた系統的な実験を行い、入射パルス依存性、試料依存性を調べた。プリカーサーは線形伝搬現象であるため、強度に対して線形に増大することが確認された。また、パルスのスペクトル形状の裾に非常に敏感で、裾の形と分散曲線の関係でプリカーサーが見えるかどうかが決定されることが判明した。(3)真空中の光速よりも速く伝搬するsuperluminal伝搬のスペクトル幅依存性および入射強度依存性を詳細に調べた。その結果、スペクトル幅が狭ければ群速度で伝搬し、強度を上げると励起子の高密度効果が伝搬に影響を与えることがわかった。

如果已知波数 k 和能量 ω 之间的色散关系，就可以从根本上理解光脉冲在材料中的传播。然而，在飞秒脉冲在谐振区的传播中，脉冲简单地以群速度传播的观点不再成立。在半导体和绝缘体的激子共振区域，光脉冲以激子极化子的形式在材料中传播，但除了极化子之外，还观察到了其他两种类型的奇怪传播波形。有两个相对较大的峰值在极化子脉冲之前传播且比极化子脉冲传播得更快，还有一个较小的峰值，其传播速度似乎比真空中的光速更快。先前的研究已经确定这两个峰值是前兆和超光速传播脉冲。具体研究结果介绍如下。 (1)我们测量了传输波形的时间分辨光谱波形，并研究了两个峰值的光谱成分。这些结果表明，传播速度较快的成分中较大的峰值是由低频成分组成的，这是20世纪初理论上研究的前兆。 (2)通过改变入射脉冲的能量、强度、脉冲波形以及样品的温度和厚度进行系统实验，以研究入射脉冲和样品的依赖性。由于前体是线性传播现象，因此证实它随强度线性增加。研究还发现，它对脉冲光谱形状的尾部非常敏感，前兆是否可见是由尾部形状与色散曲线之间的关系决定的。 (3)我们详细研究了超光速传播的光谱宽度依赖性和入射强度依赖性，超光速传播的速度比真空中的光速快。结果表明，当谱宽较窄时，传播发生在群速度下，而当强度增加时，激子密度效应会影响传播。