Вышеуказанные исследования можно разделить на три этапа. На первом этапе, описанном в обзоре [Ageeva N. N. et al. // Proc. SPIE. 1992. V.1842. P. 70], был обнаружен обратимый пикосекундный вклад в просветление (увеличение прозрачности) тонкого (~ 1 мкм) слоя GaAs гетероструктуры, порогово возникающий при мощной пикосекундной оптической накачке слоя. Для объяснения этого вклада было предположено возникновение пикосекундного стимулированного излучения (далее s-излучение), затем обнаруженного. Исследовалось влияние s-излучение на неравновесную электронно-дырочную плазму (ЭДП), эволюцию которой отображало просветление. После окончания s-излучения устанавливалось остаточное просветление. Оно хорошо описывалось в предположении, что благодаря рекомбинационному s-излучению после него устанавливается «универсальное» состояние ЭДП, характеризуемое температурой решетки и квазиуровнями Ферми электронов и дырок, удовлетворяющих условиям n = p и μe – μh = Eg. Такое состояние ЭДП, как и соответствующий спектр просветления, можно назвать пороговым. Обратимый вклад оказался связан с обратимым разогревом ЭДП и соответствующим увеличением её плотности, контролируемыми тоже s-излучением.
На втором этапе, описанном в обзоре [11], была обнаружена и исследовалась последовательность оптоэлектронных процессов, приводящих к осциллирующему во времени и в энергетическом пространстве отклонению от фермиевского распределения электронов, возбуждаемому полем s-излучения.
На третьем этапе, описанном в обзоре [12], получено прямое экспериментальное доказательство того, что s-излучение – это усиленное спонтанное излучение (т.е. стимулированное излучение). Представлено возникновение такого режима насыщения усиления s-излучения, в котором из-за указанного насыщения устанавливается почти пороговое состояние ЭДП. В этом режиме s-излучение создает обеднение инверсной населенности электронов на дне зоны проводимости, транслируемое периодически по зоне для поддержания детального равновесия переходов электронов с излучением и поглощением продольных оптических (LO) фононов. Трансляция поддерживает ширину области инверсной населенности электронов в энергетическом пространстве настолько небольшой и приблизительно фиксированной, что её наличием во многих случаях можно пренебречь. Состояние ЭДП в этом приближении и названо почти пороговым (или «пороговым»). В нём плотность неравновесных носителей заряда и их температура становятся связаны. Значительное внимание отводится результатам экспериментального исследования динамики s-излучения при насыщении его усиления. Обнаруженные при этом явления существенно связаны с взаимодействием s-излучения с неравновесными носителями
заряда. Взаимодействие замедляло охлаждение и, соответственно, транспорт носителей в энергетическом пространстве в область экстремумов зон проводимости и валентной, откуда они вынужденно рекомбинируют. Замедляемый таким образом транспорт определяет, при связи температуры носителей с их плотностью, динамику и s-излучения, как целого, и его спектральных компонент. В итоге существенно дополнено представление о режиме насыщения усиления, о специфике динамики излучения и ЭДП в этом режиме, параметрах s-излучения на основных его этапах, способах их изменения и т.д. То, что изучаемые явления возбуждали именно в слое GaAs, объясняется тем, что свойства этого прямозонного полупроводника хорошо изучены, он широко используется в полупроводниковой оптоэлектронике и является удобнейшим для таких исследований. Генерация s-излучения и сопутствующие процессы не маскируются теми особенностями, которые привносили бы, например, низкоразмерные структуры. Проводившиеся исследования актуальны и в прикладном отношении в связи с использованием в сверхбыстродействующей полупроводниковой оптоэлектронике сверхкоротких интенсивных световых импульсов

Публикации:
1. Агеева Н.Н., Броневой И.Л., Забегаев Д.Н., Кривоносов А.Н. Переключение спектральных мод пикосекундного стимулированного излучения GaAs вследствие их вынужденного комбинационного рассеяния при межзонных осцилляциях электронов в поле излучения // Журнал радиотехники и электроники. – 2018. Т. 63, №10. – С.1130-1140
2. Агеева Н.Н., Броневой И.Л., Забегаев Д.Н., Кривоносов А.Н. Связь релаксации собственного стимулированного пикосекундного излучения GaAs с характерным временем остывания носителей заряда // ФТП. – 2019. – т.53, вып.11. – с.1471-1478
3. N. N. Ageeva, I. L. Bronevoi, A. N. Krivonosov, D.N. Zabegaev. Picosecond self-modulation of the fundamental absorption of a light pulse in the GaAs, that generates the stimulated emission, causing interband electron oscillations. Zhurnal Radioelektroniki - Journal of Radio Electronics. 2019. No.4.
4. Агеева Н.Н., Броневой И.Л., Забегаев Д.Н., Кривоносов А.Н. Антикорреляция интенсивности стимулированного пикосекундного излучения GaAs и характерного времени остывания носителей заряда // ФТП. – 2020. – Т.54, вып.1. – с.25-30
5. Агеева Н.Н., Броневой И.Л., Забегаев Д.Н., Кривоносов А.Н. «Брэгговская» решетка заселенности электронов, наводимая в гетероструктуре AlxGa1-xAs-GaAs–AlxGa1-xAs её собственным стимулированным пикосекундным излучением // ФТП. – 2020. – Т.54, вып.10. – С.1018-1028
6. Агеева Н.Н., Броневой И.Л., Забегаев Д.Н., Кривоносов А.Н. Влияние на длительность пикосекундного стимулированного излучения GaAs разогрева носителей заряда этим излучением // ФТП – 2021.– т.55, в.2. – С.113-120
7. Агеева Н.Н., Броневой И.Л., Забегаев Д.Н., Кривоносов А.Н. Длины усиления спектральных компонент собственного стимулированного пикосекундного излучения, зависимость от них характерного времени релаксации указанных компонент и связь спектров стимулированного и спонтанного излучений в GaAs // ФТП – 2021.– т.55, в.2. – С.121-126
8. Агеева Н.Н., Броневой И.Л., Забегаев Д.Н., Кривоносов А.Н. Влияние разогрева носителей заряда собственным стимулированным пикосекундным излучением в GaAs на линейное возрастание на фронте и длительность спектральной компоненты этого излучения // ФТП – 2021. – т.55, в.5. – С.434-440
9. Агеева Н.Н., Броневой И.Л., Забегаев Д.Н., Кривоносов А.Н. Функциональные зависимости максимальной плотности энергии спектральной компоненты стимулированного пикосекундного излучения GaAs при насыщении усиления. Остаточное характерное время релаксации излучения // ФТП – 2022.– т.56, в.3. – С.307-314
10. Агеева Н.Н., Броневой И.Л., Забегаев Д.Н., Кривоносов А.Н. Переход от экспоненциального к линейному возрастанию плотности энергии спектральной компоненты пикосекундного стимулированного излучения GaAs при насыщении усиления // ФТП – 2022.– т.56, в.4. – С.394-400
11. Агеева Н.Н., Броневой И.Л, Кривоносов А.Н. Пикосекундная модуляция фундаментального поглощения света – отображение осцилляций и обеднения населенности электронов в поле собственного интенсивного стимулированного излучения в гетероструктуре AlxGa1-xAs–GaAs–AlxGa1-xAs (Экспериментальное исследование) // ЖЭТФ – 2022. – т.162, № 6. – С. 1018-1047
12. Агеева Н. Н., Броневой И. Л., Кривоносов А. Н. Собственное стимулированное интенсивное пикосекундное излучение в режиме насыщения усиления и «порогового» состояния электронно-дырочной плазмы в гетероструктуре AlxGa1-xAs–GaAs–AlxGa1-xAs // Радиотехника и электроника – 2023. – т.68, №3. – С.211-248

Эксперименты проводились на спектрофотохронометрическом пикосекундном лазерном комплексе с автоматизированной системой сбора и обработки измеряемых величин. Комплекс состоял из следующих компонентов: задающего YAG-лазера с диодной накачкой, системы усилителей лазерного импульса, удвоителей частоты светового импульса (кристаллов KDP), двух параметрических генераторов света на LiNbO3 с температурной перестройкой длины волны - один для генерации накачивающего, второй - зондирующего или других импульсов длительностью (FWHM) ~ 10 пс с линейной поляризацией света, спектрофотохронометрической системы. Наиболее важными компонентами последней являлись: а) двойной спектрограф, используемый как для спектральных измерений, так и (в режиме вычитания дисперсии) в качестве полосового фильтра длин волн, не искажающего длительность излучения; б) пикосекундная электронно-оптическая камера (ЭОК); в) две ПЗС-камеры для регистрации соответственно спектра излучения и изменения со временем интенсивности спектральной компоненты излучения, пропущенной спектрографом (ПЗС – прибор с зарядовой связью).

Комплекс предоставляет следующие возможности. 1. Разнообразная накачка образца вплоть до комбинированной, синхронной или с регулируемой задержкой во времени (с точностью не хуже 0.3 пс), двумя импульсами света со специально подобранными энергиями фотонов ħω₁, ħω₂, различной интенсивностью света и различными размерами фокусного пятна на образце. 2. Одномоментное измерение интегрального по времени спектра сверхкороткого излучения. Это особенно требуется, когда какая-либо исследуемая особенность сохраняет своё спектральное положение на протяжении импульса излучения, и при этом условия эксперимента требуют большого количества измерений спектров. 3. Измерение изменений оптического поглощения, прозрачности и отражения во время и после накачки образца. Измерения проводятся по методике "pump-probe" в двух вариантах. В первом варианте измеряются изменения энергии и интегрального по времени спектра зондирующего импульса, вызванные накачкой образца. Во втором варианте измеряется хронограмма всего зондирующего импульса или какой-то его спектральной компоненты. 4. Измерение хронограмм отдельных спектральных компонент собственного излучения образца. Эти хронограммы ещё и позволяют восстановить эволюцию во времени спектра сверхкороткого собственного излучения.
В итоге, конструкция комплекса обеспечивает редкое сочетание уникальных технических возможностей для сверхбыстрого образования в GaAs мощного стимулированного излучения с разнообразными параметрами, возбуждения при этом нелинейных сверхбыстрых процессов взаимодействия этого излучения с полупроводником, многосторонних оптических исследований таких процессов. И всё это практически без разогрева кристаллической решетки и без опасности оптического повреждения образца.

Во время s-излучения в его спектре интерференционные, объясненные в 2020 г., локальные максимумы, преобразовывались в локальные минимумы, а локальные минимумы сменялись локальными максимумами. Такое переключение спектральных мод излучения оказалось вызвано энергообменом между ними. Энергообмен происходил в процессе вынужденного комбинационного рассеянием (ВКР) этих мод. Возникало ВКР, чтобы скомпенсировать те отклонения заселенностей носителями заряда уровней валентной зоны, которые образовывались межзонными осцилляциями электронов в поле излучения. В прикладном аспекте, это раскрывает одну из причин встречающейся нестабильности спектра интенсивного пико-секундного излучения полу-проводниковых лазеров.

Исследовалась релаксация s-излучения. Обнаружено, что при фиксированной плотности энергии импульса накачки с увеличением его диаметра D растет характерное пикосекундное время τ_R релаксации s-излучения и плотности носителей. Вследствие взаимосвязи плотности и температуры носителей при s-излучении τ_R связано с характерным временем релаксации температуры фотонакаченных носителей τ_T, определенным ранее теоретически с учетом разогрева носителей излучением. Следующее из этого аналитическое выражение для τ_R как функции τ_T согласуется с экспериментальными результатами. Это позволяет использовать такое выражение на практике.

Исследовались процессы, определяющие интенсивность s-излучения. Измерения проводились в реальном времени с разрешением около 2 пс на пикосекундном лазерном спектрофотохронометрическом комплексе, представленном отдельно несколько ниже. Обнаружено следующее.
В режиме насыщения усиления, т. е. когда излучение влияет на собственное усиление, ограничивая его, максимальная интенсивность s-излучения уменьшается при увеличении диаметра луча накачки (плотность энергии накачки фиксирована), что противоположно закону Бугера. Эта зависимость антикоррелирует с зависимостью характерного времени релаксации излучения от диаметра накачки. Названное время пропорционально характерному времени остывания носителей заряда, которое поэтому тоже антикоррелирует с максимальной интенсивностью излучения.

В волноводной гетероструктуре в слое GaAs излучение, «выжигая пространственные дыры», создает модификацию брэгговской решетки заселенности электронов. Решетка образуется без влияния отражения излучения от торцевых зеркал. Для неё существенно отражение излучения от гетерограниц и выполнение определенных граничных условий. Экспериментально установлены характеристики решетки и то, что она может меняться только дискретно. Обнаруженное наведение брэгговской решетки – это фактически самообразование РОС-лазера в волноводной полупроводниковой гетероструктуре под действием собственного интенсивного стимулированного излучения.

Приведенные результаты к тому же позволили: (а) объяснить влияние размеров активной области полупроводниковых лазеров на интенсивность генерируемых мощных пикосекундных импульсов света, (б) установить первопричину многомодовости излучения, конкуренции и переключения его мод, модуляции спектра усиления (выжигания частотных дыр), проявляющихся также как нестабильности лазерного излучения.

Обнаружено превышение длительности s-излучения над длительностью накачки, вызванное разогревом носителей заряда s-излучением. Главным параметром указанного превышения длительности является характерное время охлаждения носителей заряда, замедляемое из-за разогрева носителей s-излучением. Отмечено влияние этого времени и на перенормировку запрещенной зоны из-за кулоновского взаимодействия носителей.

Получены оценки: (а) длин усиления спектральных компонент излучения, т.е. различающихся между собой расстояний, на протяжении которых в активной среде, созданной накачкой, усиливаются различные компоненты излучения; (б) зависимости характерного времени релаксации компонент излучения от их длин усиления. Показано, что спектр произведения длины усиления на коэффициент усиления связывает линейно спектры спонтанного и стимулированного излучений GaAs. Эта связь установлена при насыщении усиления, о котором свидетельствует провал в спектре усиления, "выжженный" s-излучением.

Установлены коэффициенты экспоненциального и сменяющего его затем линейного усиления спектральных компонент s-излучения на фронте. При этом обнаружено влияние на фронт компонент, оказываемое нагревом носителей заряда s-излучением. Получена зависимость длительности компоненты на полувысоте (FWHM) от характерных времен: (а) возрастания на фронте, (б) релаксации (тоже замедленной нагревом носителей s-излучением) на спаде компоненты.

Установлены функциональные зависимости максимальной плотности энергии спектральной компоненты s-излучения при насыщении усиления. Экспериментально подтверждено следующее из теории универсальное остаточное характерное время релаксации s-излучения. Выяснено, в зависимости от каких параметров спектральной компоненты s-излучения и по какому закону меняется: (а) время (отсчитываемое от начала излучения), через которое происходит переход от экспоненциального возрастания излучения к линейному; (б) плотность энергии компоненты в «момент» перехода; (в) коэффициент усиления на этапе линейного возрастания плотности энергии.
Сделан и опубликован обзор нового, экспериментально обнаруженного явления квантовой оптики: пикосекундной модуляции фундаментального поглощения света, отображающей осцилляции и обеднение населенности электронов в поле излучения в гетероструктуре.

Создан и опубликован обзор, представляющий третью часть уже названного выше экспериментального исследования s-излучения и возбуждаемых им оптоэлектронных эффектов. Приведенные в нем результаты пополняют экспериментальную информацию о динамике интенсивного стимулированного излучения, как интегрального по спектру, так и его спектральных компонент, генерируемого в полупроводниковой гетероструктуре. В первую очередь это относится к мало исследованной динамике в состоянии насыщения усиления. Кроме того, дополнено представление о значительной роли разогрева носителей собственным излучением полупроводника. Обнаружены способы сокращения длительности пикосекундного импульса излучения и увеличения его максимальной интенсивности. Установленные эмпирические зависимости дают вклад в экспериментальную базу, которая должна способствовать развитию теории вышеуказанной динамики. Они будут полезны и при анализе функционирования и создании лазерных усилителей, а также полупроводниковых лазеров и суперлюминесцентных диодов, предназначенных: первые для усиления, вторые для генерации мощных сверхкоротких световых импульсов.