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半导体可饱和吸收体调Q的微观机理研究

作　者: 唐文婧
导　师: 李德春
学　校: 山东大学
专　业: 光学工程
关键词: 可饱和吸收体最佳化分子模拟电子结构弹性性质
分类号: TN248
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

全固态调Q激光器,即在普通固体激光器中加入调Q元件构成的激光器,具有全固化、体积小、泵浦效率高等优势,受到人们极大的关注,具有广泛的应用前景。对于调Q激光器来说,调Q元件的性能对激光器的输出有着极大地影响,故对其性能参数的优化也至关重要。半导体可饱和吸收体作为新型的被动调Q元件,具有体积小、结构简单、使用方便和成本低的优点,成为被动调Q激光领域研究的热点。本论文采用速率方程理论,对中间镜式半导体可饱和吸收镜被动调Q激光器进行了输出能量的最佳化研究；利用分子模拟技术分别对GaAs和InGaAs半导体可饱和吸收体的电子结构和弹性性质进行了理论模拟。论文的主要创新性内容有以下三个部分：(Ⅰ)根据中间镜式半导体可饱和吸收镜的调Q机制,同时考虑了InGaAs可饱和吸收层以及GaAs衬底的可饱和吸收作用,在高斯分布下引入了归一化参数并给出了描述中间镜式半导体可饱和吸收镜调Q激光脉冲输出性能的归一化速率方程的模型,对中间镜式可饱和吸收体调Q激光器的脉冲能量、峰值功率以及脉冲宽度做了最佳化研究,首次得出了中间镜式半导体可饱和吸收镜(C-SESAM)被动调Q激光器在输出特性最佳化条件下的关键性能参数和相应曲线。(Ⅱ)用基于密度泛函理论的平面波赝势法首先对GaAs本征点缺陷(镓空位、砷空位、镓替代砷、砷替代镓、镓间隙、砷间隙)存在时的晶格结构进行优化,得到其稳定结构；然后通过各缺陷形成能的计算可得知其在生长过程中形成的难易程度,并从态密度的角度对各种本征点缺陷引起的缺陷能级及电子占据情况进行了分析；最后对带有不同本征点缺陷的GaAs饱和吸收体的弹性常数进行了计算,并研究了本征点缺陷的存在对GaAs饱和吸收体的弹性性质的影响。计算得到的本征缺陷能级对于分析GaAs可饱和吸收体中EL2深能级缺陷的形成机理有重要帮助；而弹性常数的计算也将有助于进一步分析含有深能级缺陷结构的GaAs饱和吸收体的弹性性质,并对GaAs晶体作为饱和吸收体用于被动调Q激光器具有理论指导意义;(Ⅲ)运用Castep软件研究了In原子掺杂浓度渐变的InGaAs晶体的电子结构和弹性性质,得到了In原子掺杂浓度渐变的三种InGaAs晶体的态密度分布曲线和弹性常数值,并采用Voigt-Reuss-Hill方法计算得到相应的弹性模量值。通过模拟发现InGaAs晶体的带隙宽度随着In原子的掺杂浓度升高而减小；晶体弹性性质具有立方晶系的对称性,随着In原子掺杂浓度增大,InGaAs晶体的弹性常数和弹性模量值变小,晶体的脆性降低,延性增强,晶格更容易发生形变；将模拟得到的InGaAs晶体的电子结构与弹性性质与GaAs晶体的相应性质进行比较,分析了InGaAs/GaAs晶格失配的原因并提出了解决方法。

全文目录

中文摘要  10-12
ABSTRACT  12-14
符号说明  14-16
第一章引言  16-23
  1.1 全固态调Q激光器  16-17
  1.2 常用的调Q技术  17-21
    1.2.1 调Q的基本原理  17-18
    1.2.2 常用的几种主被动调Q技术  18-21
  1.3 本文的主要研究内容  21-23
第二章中间镜式半导体可饱和吸收镜被动调Q激光器脉冲能量的最佳化  23-38
  2.1 引言  23-24
  2.2 速率方程理论  24-25
  2.3 计算方法  25-30
  2.4 结果分析  30-36
  2.5 应用与小结  36-38
第三章分子模拟技术概述  38-52
  3.1 引言  38-39
  3.2 分子模拟技术的基本方法  39-42
    3.2.1 分子力学方法(Molecular mechanics,MM)  39-40
    3.2.2 蒙特卡洛方法(Monte Carlo,MC)  40
    3.2.3 量子力学方法(Quantum mechanics,QM)  40-41
    3.2.4 分子动力学方法  41-42
  3.3 分子模拟技术的发展和现状  42-43
  3.4 第一性原理计算的基本理论  43-48
    3.4.1 第一性原理计算  43-44
    3.4.2 密度泛函理论  44-48
      3.4.2.1 Thomas-Fermi模型  44-45
      3.4.2.2 Hohenberg-Kohn方程  45-46
      3.4.2.3 Kohn-Sham方程  46-47
      3.4.2.4 交换关联能的近似方法  47-48
      3.4.2.5 密度泛函理论的优势和缺陷  48
  3.5 Castep模块基本理论和使用方法介绍  48-52
    3.5.1 赝势  49
    3.5.2 超晶胞方法  49-50
    3.5.3 Castep模块的使用  50-52
第四章 GaAs可饱和吸收体本征点缺陷的第一性原理研究  52-67
  4.1 引言  52
  4.2 GaAs晶体中的点缺陷  52-53
  4.3 固体的弹性理论  53-56
  4.4 计算方法及模型  56-59
  4.5 计算结果及分析  59-65
    4.5.1 形成能的计算  59-60
    4.5.2 电子结构  60-61
    4.5.3 弹性性质的分析  61-65
      4.5.3.1 GaAs晶体的晶格常数  61-62
      4.5.3.2 点缺陷GaAs晶体的弹性常数  62-64
      4.5.3.3 弹性模量的模拟结果分析  64-65
  4.6 小结  65-67
第五章 In原子组分渐变的InGaAs晶体的第一性原理研究  67-74
  5.1 引言  67-68
  5.2 模型的建立和计算方法  68
  5.3 结果和讨论  68-72
    5.3.1 In组分不同的InGaAs晶体的晶格常数  68-69
    5.3.2 In组分不同的InGaAs晶体的电子结构  69-70
    5.3.3 In组分不同的InGaAs晶体的弹性性质  70-72
      5.3.3.1 In组分不同的InGaAs晶体的弹性常数的模拟结果分析  70-71
      5.3.3.2 In组分不同的InGaAs晶体的弹性模量的模拟结果分析  71-72
  5.4 小结  72-74
第六章全文总结  74-76
  6.1 论文完成的工作  74
  6.2 展望  74-76
参考文献  76-85
致谢  85-86
攻读硕士论文期间发表的学术论文和获奖情况  86-87
学位论文评阅及答辩情况表  87

半导体可饱和吸收体调Q的微观机理研究

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