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太赫兹量子级联激光器电子动力学研究

高少文  
【摘要】:太赫兹(THz)技术是近年来十分热门的一个研究领域,2004年被评为影响世界未来的十大科技之一。量子级联激光器(QCL)则是产生太赫兹辐射的重要器件之一。本学位论文利用二维材料体系中电子、声子、光子之间的散射模型,从理论上对量子级联激光器电子动力学进行了深入的研究,探索了太赫兹量子级联激光器有源层和波导层结构设计方法,研究成果对深入了解量子级联激光器发光物理机制和研制出新型的太赫兹量子级联激光器有重要意义。本论文主要内容和结论包括: 1、通过研究多量子阱导带电子能带模型,考虑材料界面处电子有效质量不连续性,讨论了量子级联激光器有源区导带电子能量在掺杂和外加电场下的自洽解,结果表明将Shr(?)dinger方程的微分项展开为比展开为得到更精确的电子能级能量,研究结果对太赫兹量子级联激光器有源区的设计有重要指导意义。 2、研究了量子级联激光器内电子—受限纵光学声子,电子—界面声子,电子—电子,电子—光子等相互作用下的电子散射速率;计算了散射速率与电子初始能量、量子阱宽、外加电场以及掺杂浓度的关系。结果表明:要在量子级联激光器内实现能级粒子数翻转,电子—受限纵光学声子、界面声子的作用是主要因数;电子—电子相互作用在电子能量差较小(太赫兹能量范围),掺杂浓度较大(≈10~(12)cm~(-2))的情况下,散射速率达到皮秒量级,是太赫兹量子级联激光器设计中要考虑的重要因数;电子—光子作用下的散射速率要比电子—声子作用下的散射速率低几个数量级;外加电场对低能级电子散射速率的影响较小,对高能级电子的散射速率影响相对较大。 3、研究了利用金属作为波导层结构时,金属—半导体界面等离子体激元模式。从理论上对激射波长在17μm的GaAs/AlGaAs量子级联激光器的波导层设计进行了讨论,分别研究了传统的递变低折射率波导、单面金属波导、双面金属波导、金属波导与高掺杂层相结合四种波导设计。结果表明,对长波长量子级联激光器利用金属进行波导设计,可以降低波导层厚度,提高光场限制因子。


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