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非对称量子阱结构中非线性光学性质及其应用的研究

作　者: 朱能念
导　师: 姚建铨
学　校: 天津大学
专　业: 光电子技术
关键词: THz辐射 光学差频 THz波调制器 非对称量子阱
分类号: O413.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


太赫兹（THz）波具有良好的透视性、安全性和较高的光谱分辨力,近十年被广泛应用于生物、医学、信息等领域,具有重大的科学价值和广阔的应用前景。利用电子学和光学方法可以有效的产生相干THz波辐射,而基于光学非线性频率变换技术的差频办法可以获得室温运转、宽调谐、高功率、低成本和结构紧凑的相干THz源。而常用的晶体的二阶非线性差频系数都很小,使得差频转换效率很低,而非对称量子阱的二阶非线性系数很大,量级一般为XDFG,max2≈2.5019μm/V,采用非对称量子阱做差频晶体将会在很大程度上提高差频转化效率,因此量子阱在差频应用方面具有很大的发展潜力。本文探讨了非对称量子阱中的线性效应及二阶、三阶非线性效应,并在此基础之上研究了量子阱差频产生相干THz波辐射,及实用化的THz波调制器件。主要内容及创新点如下:1.基于GaAs/Al0.2Ga0.8As/Al0.5Ga0.5As阶梯形非对称量子阱（AQW）,讨论了导带为非抛物线形对量子阱中量子化能级、本征波函数及光学非线性效应的影响。理论计算了AQW中的二阶非线性系数,在考虑导带为非抛物线形影响下,当XDFG,max2≈2.5019μm/V时,光学差频系数可高达GaAs /Al0 .2Ga0.8As/Al0.5Ga0.5AsXDFG,max2≈2.5019μm/V（比GaAs晶体中高约5个数量级）,光整流系数可高达m/V（比GaAs晶体中高约4个数量级）。2.研究了一个特殊的GaAs/AlGaAs非对称量子阱在THz波段的线性、三阶非线性吸收系数及介质折射率的相对改变。以典型的阶梯形量子阱为例做了数值计算。计算表明,基于泵浦光场和偏置电压控制的THz波调制器不仅可以做THz波开关,还可以灵活的调制THz波信号的强度和相位,方便实用。3.基于对量子阱中的一阶及三阶非线性介质折射率相对改变的计算,通过数值模拟,发现通过调节入射光强,可以在共线差频的情况下达到相位匹配。设计了利用量子阱共线差频产生THz波的实验装置。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-21
  1.1 THz波简介  8-9
  1.2 THz波的特性及其应用  9-12
    1.2.1 THz波的特性  9-10
    1.2.2 THz波的应用  10-12
  1.3 THz技术的发展状况及发展前景  12-13
  1.4 THz波辐射源  13-18
  1.5 量子阱的研究状况  18-20
  1.6 论文的主要内容  20-21
第二章 非线性极化率的量子理论的一些基本知识  21-29
  2.1 量子力学的基本概念  21
  2.2 电偶极矩近似  21-22
  2.3 密度算符与密度矩阵  22-26
  2.4 极化率张量元  26-29
第三章 非抛物效应对量子阱中二阶非线性差频和光整流系数的影响  29-41
  3.1 理论计算与分析  30-39
    3.1.1 导带为抛物线形时量子阱中波函数和能级值的确定  30-32
    3.1.2 导带为非抛物线形时量子阱中波函数和能级值的确定  32-35
    3.1.3 导带为非抛物线形对能级值的影响的讨论  35-36
    3.1.4 导带为非抛物线形时对阶梯形量子阱中的二阶差频系数和光整数的影响  36-39
  3.2 本章小结  39-41
第四章 偏置电场对量子阱中折射率和非线性吸收的影响  41-51
  4.1 理论模型  41-45
  4.2 结果与讨论  45-50
  4.3 本章小结  50-51
第五章 利用差频过程产生THz波的理论研究  51-61
  5.1 差频过程的微观动力学分析  51-56
  5.2 差频晶体的选择  56-58
  5.3 差频晶体相位匹配技术  58-61
第六章 利用非对称量子阱进行差频产生THz波的理论研究  61-79
  6.1 GaAs/Al_(0.2)Ga_(0.8)As/Al_(0.5)Ga_(0.5)As非对称量子阱差频产生THz波的相位匹配  61-71
  6.2 GaAs/Al_(0.2)Ga_(0.8)As/Al_(0.5)Ga_(0.5)As非对称量子阱对入射光和差频产生的THz波的吸收  71-75
  6.3 GaAs/Al_(0.2)Ga_(0.8)As/Al_(0.5)Ga_(0.5)As采用非对称量子阱差频产生THz波的差频系数  75-76
  6.4 多量子阱结构设计及采用量子阱进行差频产生THz波的实验装置设计  76-78
  6.5 本章小结  78-79
参考文献  79-85
发表论文和科研情况说明  85-86
致谢  86

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中图分类: > 数理科学和化学 > 物理学 > 理论物理学 > 量子论 > 量子力学（波动力学、矩阵力学）
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