vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1561-2430-2021-57-1-99-107vestifm-571Research ArticleФИЗИКАPHYSICSСверхбыстрая динамика и механизмы нестационарного поглощения в тонких образцах селенида галлияUltrafast dynamics and mechanisms of non-stationary absorption in thin gallium selenide samplesТихомировС. А.TikhomirovS. A.

Тихомиров Сергей Александрович – член-корреспондент Национальной академии наук Беларуси, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Центра фотоники атомных и молекулярных структур

пр. Независимости, 68-2, 220072, г. Минск

Sergey A. Tikhomirov – Corresponding Member of the National Academy of Sciences of Belarus, Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Chief Researcher of the Center of Photonics of Atoms and Molecules Structures

68-2, Nezavisimosti Ave., 220072, Minsk

s.tik@dragon.bas-net.byИнститут физики им. Б. И. Степнова Национальной академии наук БеларусиB. I. Stepanov Institute of Physics of the National Academy of Sciences of Belarus20210104202157199107Copyright © Тихомиров С.А., 20212021Тихомиров С.А.Tikhomirov S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/571

На основе использования методов фемтосекундной кинетической спектроскопии исследована динамика наведенного поглощения в тонких образцах селенида галлия при различных условиях возбуждения. Зарегистрировано несколько типов наведенных изменений, включая наведенное поглощение на свободных носите[1]лях заряда («горячих» и термализованных электронах), просветление и поглощение, обусловленное заселением прикраевых ловушечных (экситонных) состояний, а также быстрые изменения поглощения зондирующего излучения в области перекрытия возбуждающего и зондирующего импульсов, обусловленные двухквантовыми двухчастотными межзонными переходами. Оценены временные диапазоны реализующихся релаксационных процессов. Показано, что при использовании относительно малоинтенсивного длинноволнового возбуждения (790 нм) происходит пре[1]имущественно резонансное возбуждение прикраевых состояний за счет двухквантовых двухчастотных переходов с последующим установлением динамического равновесия между связанными и свободными электронами во временном диапазоне до 5 пс. При возбуждении электронов глубоко в зону проводимости с образованием горячих свободных электронов и их последующей термализацией ко дну зоны проводимости во временном диапазоне до 1 пс заселение прикраевых состояний и установление динамического равновесия реализуется в том же временном диапазоне (5 пс), что и при возбуждении «снизу».

Herein, the dynamics and mechanisms of induced absorption in thin samples of gallium selenide under various excitation conditions are studied using femtosecond kinetic spectroscopy. We have registered several types of induced changes including induced absorption on free charge carriers (“hot” and thermalized electrons), bleaching and absorption due to the population of near-edge trap or exciton states, as well as rapid changes in the absorption of probing radiation in the region of the overlap of the exciting and probing pulses due to two-quantum two-frequency interband transitions. The time ranges of the relaxation processes are estimated. It is shown that when using relatively low-intensity long-wave excitation (790 nm), the resonant excitation of the near-edge states occurs mainly due to two-quantum two-frequency transitions followed by the formation of the dynamic equilibrium between bound and free electrons in the time range up to 5 ps. When electrons are excited deeply into the conduction band with the formation of hot free electrons and their subsequent thermalization to the bottom of the conduction band in the time range up to 1 ps, the population of the near-edge states and the establishment of the dynamic equilibrium between bound and free electrons is realized in the same time range (5 ps) as when they are excited “from below”.

нестационарные спектры поглощенияфемтосекундная спектроскопияселенид галлиявозбужденные носители зарядарелаксационные процессыnon-stationary absorption spectrafemtosecond spectroscopygallium selenideexcited charge carriersrelaxation processesReferencesГенерация фемтосекундных импульсов в среднем ИК- и ТГц-диапазонах в кристаллах GaSe1–х Teх / Д. М. Лубенко [и др.] // Изв. Рос. акад наук. Сер. физ. – 2015. – Т. 79, №Lubenko D. M., Losev V. F., Andreev Yu. M., Lansky G. V., Svetlichny V. A. Generation of femtosecond pulses in the mid – IR and THz ranges in GaSe1–х Teх crystals. Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2015, vol. 79, no. 2, pp. 238–241. https://doi.org/10.3103/s1062873815020161– С. 300–304. 2. Ding, Y. J. Widely tunable monochromatic THz sources based on phase-matched difference-frequency generation in nonlinear-optical crystals: A novel approach / Y. J. Ding, W. Shi // Laser Phys. – 2006. – Vol. 16, № 4. – P. 562–570. https://doi. org/10.1134/s1054660x06040050Ding Y. J., Shi W. Widely tunable monochromatic THz sources based on phase-matched difference-frequency genera tion in nonlinear-optical crystals: A novel approach. Laser Physics, 2006, vol. 16, no. 4, pp. 562–570. https://doi.org/10.1134/ s1054660x06040050Wei Shi. A monochromatic and high-power terahertz source tunable in the ranges of 2.7–38.4 and 58.2–3540 μm for variety of potential applications / Wei Shi, Y. J. Ding // App. Phys. Lett. – 2004. – Vol. 84, № 10. – P. 1635–1637. https://doi. org/10.1063/1.1649802Wei Shi, Yujie J. Ding. A monochromatic and high-power terahertz source tunable in the ranges of 2.7–38.4 and 58.2–3540 μm for variety of potential applications. Applied Physics Letters, 2004, vol. 84, no. 10, pp. 1635–1637. https://doi. org/10.1063/1.1649802Limiting pump intensity for sulfur-doped gallium selenide crystals / J. Guo[et al.] // Laser Phys. Lett. –2014. – Vol. 11, № 5. – P. 055401 (6 p). https://doi.org/10.1088/1612-2011/11/5/055401Guo J., Li D.-J., Xie J.-J., Zhang L.-M., Feng Z.-S., Andreev Yu. M., Kokh K., Lanskii G. V., Potekaev A. I., Shaiduko A. V., Svetlichnyi V. A. Limiting pump intensity for sulfur-doped gallium selenide crystals. Laser Physics Letters, 2014, vol. 11, no. 5, pp. 055401 (6 p). https://doi.org/10.1088/1612-2011/11/5/055401Impact of fs and ns pulses on indium and sulfur doped gallium selenide crystals // Z.-S. Feng [et al.] // AIP Advances – 2014. – Vol. 4, № 3. – P. 037104. https://doi.org/10.1063/1.4868626Feng Z.-S., Kang Z. H., Li X.-M., Wang Zeng-Bin, Gao J.-Y., Andreev Yu. M., Atuchin V. V., Kokh K., Lanskii G. V., Potekaev A. I., Shaiduko A. V., Svetlichnyi V. A. Impact of fs and ns pulses on indium and sulfur doped gallium selenide crystals. AIP Advances, 2014, vol. 4, no. 3, pp. 037104. https://doi.org/10.1063/1.4868626Widely linear and non-phase-matched optical-to-terahertz conversion on GaSe:Te crystals / Wei-Chen Chu [et al.] // Opt. Lett. – 2012 – Vol. 37, № 5. – P. 945–947. https://doi.org/10.1364/ol.37.000945Wei-Chen Chu, Shin An Ku, Harn Jiunn Wang, Chih Wei Luo, AndreevYu. M, Lanskii G. V., Kobayashi T. Widely lin ear and non-phase-matched optical-to-terahertz conversion on GaSe:Te crystals. Optics Letters, 2012, vol. 37, no. 5, pp. 945– 947. https://doi.org/10.1364/ol.37.000945Charge transfer process determines ultrafast excited state deactivation of thioflavin T in low-viscosity solvents / V. I. Stsiapura [et al.] // J. Phys. Chem. A. – 2010. – Vol. 114, № 32. – P. 8345−8350. https://doi.org/10.1021/jp105186zStsiapura V. I., Maskevich A. A., Tikhomirov S. A., Buganov O. V. Charge transfer process determines ultrafast ex cited state deactivation of thioflavin T in low-viscosity solvents. The Journal of Physical Chemistry A, 2010, vol. 114, no. 32, pp. 8345−8350. https://doi.org/10.1021/jp105186zZotova, I. B. Spectral measurements of two-photon absorption coefficients for CdSe and GaSe crystals / I. B. Zotova, Y. J. Ding // Opt. Lett. – 2001 – Vol. 40, № 36. – P. 6654–6658. https://doi.org/10.1364/ao.40.006654ZotovaI. B., Ding Y. J. Spectral measurements of two-photon absorption coefficients for CdSe and GaSe crystals. Optics Letters, 2001, vol. 40, no. 39, pp.6654–6658. https://doi.org/10.1364/ao.40.006654

The authors declare that there are no conflicts of interest present.