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半导体氮化铟薄膜非线性光学吸收性质的研究

作　者: 王竹平
导　师: 顾春明；沈文忠
学　校: 上海交通大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: Z扫描技术氮化铟薄膜双光子吸收饱和吸收
分类号: O484.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

半导体材料的非线性光学吸收性质已经持续多年成为光学以及新功能材料领域的研究热点并被不断挖掘应用到实际器件中。例如,饱和吸收性质已经被广泛应用在激光物理中,如锁模、光学双稳器件等。双光子吸收和反饱和吸收也被应用在光开关以及光限幅器件等。因此,本文对半导体材料氮化铟薄膜的非线性吸收性质的研究有着实际的意义。在各种不同的研究非线性材料光学性质的实验方法中,Z扫描被认为是一种测量非线性参数最简单并且最准确的手段之一。通过这种技术我们既可以得到非线性吸收系数以及非线性折射率的符号又可以同时得到其数值大小。它已经被广泛应用与研究半导体的非线性光学性质。文章中,我们首先简介了介质中的基本三阶非线性光学过程,然后介绍了Z扫描测量技术的实验装置及仪器。通过结合氮化铟薄膜的基本光学参数,利用Z扫描技术研究了氮化铟薄膜在不同脉宽以及波长激光下的非线性光学吸收性质。本文主要利用开孔透射式Z扫描实验系统,研究了氮化铟薄膜在纳秒、皮秒以及飞秒激光脉冲作用下的非线性吸收性质并分析研究了不同的吸收机制,发现在不同激光脉宽作用下,氮化铟薄膜呈现了不同的吸收过程。532 nm波长下脉宽为6纳秒以及38皮秒的实验中直接观测到了由线性吸收引起的饱和吸收效应。1064 nm波长下的脉宽为38皮秒脉冲Z扫描中,结果呈现出由双光子吸收引起的饱和吸收效应。而800 nm波长的100飞秒脉冲实验中双光子吸收是主导的吸收机制,随着入射光功率的增大,出现了饱和吸收的趋势。这些结果充分说明InN薄膜是一种很好的饱和吸收材料。同时,InN薄膜在纳秒以及皮秒时间域中强的饱和吸收性质是的InN薄膜在激光脉冲压缩方面有潜在的应用价值,而飞秒时间域中的双光子吸收也说明InN薄膜在光限幅器件方面有很好的应用前景。以上研究得到了国家自然科学基金(10734020)的资助,特此感谢!

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-8
目录  8-11
第一章绪论  11-19
  1.1 半导体材料简介  11-13
    1.1.1 半导体材料的特性和参数  11-12
    1.1.2 半导体材料的分类  12
    1.1.3 常见的半导体材料制备方法  12-13
  1.2 非线性光学及半导体材料的研究与发展  13-16
  1.3 论文研究的意义与主要内容  16-18
  参考文献  18-19
第二章非线性光学以及半导体跃迁理论  19-39
  2.1 非线性极化率  19-20
  2.2 非线性极化率的起源  20-21
  2.3 三阶非线性光学效应  21-25
  2.4 三阶非线性光学系数的测量方法  25-29
  2.5 半导体的带间跃迁理论介绍  29-37
    2.5.1 导带底和价带顶位于波矢空间同一位置时的允许带间直接跃迁  30-32
    2.5.2 禁戒的带间直接跃迁  32-34
    2.5.3 导带底和价带顶位于波矢空间不同位置的带间直接跃迁  34
    2.5.4 间接能带间的跃迁-带间间接跃迁  34-36
    2.5.5 直接能带时的带间间接跃迁  36-37
  2.6 本章小结  37-38
  参考文献  38-39
第三章 Z 扫描实验仪器介绍  39-49
  3.1 Z 扫描技术的发展及应用  39-40
  3.2 扫描实验系统简介  40-47
    3.2.1 飞秒激光系统  40-42
    3.2.2 皮秒激光系统  42
    3.2.3 纳秒激光系统  42-43
    3.2.4 步进电机系统  43-44
    3.2.5 PerkinElmer 数字锁相放大器与斩波器  44-46
    3.2.6 光电探测器  46
    3.2.7 Z 扫描实验系统及软件系统  46-47
  3.3 本章小结  47-48
  参考文献  48-49
第四章氮化铟薄膜的单光子吸收特性  49-71
  4.1 引言  49-50
  4.2 经典透射Z 扫描理论  50-59
    4.2.1 引言  50-52
    4.2.2 扫描理论基础  52-58
    4.2.3 扫描试验修正及数据处理  58-59
  4.3 实验装置与试验样品  59-63
    4.3.1 实验装置  59
    4.3.2 实验样品介绍  59-63
  4.4 样品非均匀性、衬底等对实验的影响  63
  4.5 532 nm 波长下氮化铟薄膜的非线性吸收特性  63-67
    4.5.1 纳秒激光下的非线性光学吸收特性  63-66
    4.5.2 皮秒激光下的非线性光学吸收特性  66-67
    4.5.3 纳秒以及皮秒脉冲激发下的结果比较  67
  4.6 本章小结  67-68
  参考文献  68-71
第五章 InN 薄膜的双光子吸收特性及飞秒时间分辨泵浦探测  71-82
  5.1 引言  71-72
  5.2 泵浦-探测技术理论  72-73
  5.3 实验装置及试验样品  73-74
  5.4 实验结果及讨论  74-79
    5.4.1 波长1064 nm 皮秒激光作用下的非线性光学吸收特性  74-75
    5.4.2 皮秒脉冲激光作用下非线性光学吸收随功率的变化特性  75-76
    5.4.3 波长800 nm 飞秒激光作用下的非线性光学吸收特性  76-77
    5.4.4 飞秒激光作用下非线性光学吸收随入射光功率的变化特性  77-79
  5.5 InN 薄膜在飞秒时间分辨下的泵浦-探测研究  79-80
  5.6 本章小结  80-81
  参考文献  81-82
第六章总结  82-83
致谢  83-84
攻读硕士学位期间发表的学术论文  84-87
上海交通大学硕士学位论文答辩决议书  87

半导体氮化铟薄膜非线性光学吸收性质的研究

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