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ZnSe和ZnS双光子吸收诱导自由载流子吸收的光学非线性研究

魏薇  
【摘要】:随着第一台激光器的问世,强光光源应运而生,光学实验也随之从线性光学拓展到非线性光学。由于半导体材料在光计算、光通讯与光存储方面具有广阔应用前景,因此深入研究半导体材料的光学非线性性质尤为重要。本论文以Ⅵ族Zn类半导体为研究对象,基于Z-scan技术在宽波段范围内对此类半导体材料的光学非线性特性进行了系统的探究。 基于耦合波理论与半导体导价带理论,在理论上探索了半导体中双光子吸收诱导的自由载流子吸收。在宽波段范围内,进一步分析了双光子吸收系数和三阶非线性折射率与激发波长之间的变化规律。此外,在特定波长处,通过数值模拟比较了不同带隙宽度半导体的双光子吸收系数和三阶非线性折射率。最后,理论上推导了双光子吸收诱导的自由载流子吸收过程,并定性阐明了两者之间的关系。 在理论方面,利用慢变振幅近似,根据光束传播方程与载流子速率方程,理论上推导了半导体在稳态与瞬态条件下的场分布解析解,并在此基础上分析了双光子吸收与自由载流子吸收之间的竞争关系。最后,在可见光波段内对ZnSe、ZnS多晶的两种吸收的竞争过程进行了系统的研究。通过数值模拟研究了双光子吸收和自由载流子吸收的能量与入射能量之间的关系,得到两种吸收机制分别占主导地位时的阈值能量。 在实验方面,基于Z-scan技术在不同波长不同能量下对ZnSe、ZnS多晶的光学非线性进行了测量,结合数值拟合得到了有效双光子吸收和有效三阶非线性折射系数。在纳秒条件下研究了在同一波长下,开孔谷值、闭孔峰谷值随能量的变化规律,主要分析了此时双光子吸收与自由载流子吸收之间的竞争。特别在580nm、600nm小能量下ZnS多晶的非线性折射系数为正,大能量下非线性折射系数为负,根据双光子吸收与自由载流子吸收的竞争机制中解释了出现这种现象的原因,进一步证明理论的自洽性。


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