半球形Si和GaAs探测器双光子响应的研究

论文摘要

本文将固浸透镜技术与双光子响应探测器的研究相结合,以近本征Si和半绝缘GaAs为材料,分别制作了半球形Si基(底面为(110)面)和GaAs基(底面为(001)面)双光子响应光电探测器。探测器采用金属—半导体—金属(MSM)结构。分析了入射线偏振光的偏振方向分别为[111]、[110]、[001]晶向时,Si和GaAs晶体的倍频吸收、双光子吸收、场致倍频效应的各向异性,在此基础上,对自行研制的半球形Si基和GaAs基光电探测器进行了双光子响应的实验研究。以1.3μm连续波固体激光器为光源,在入射光功率约为100mW和1V偏压的情况下,测得半球形Si探测器的双光子响应度达到了2μA/W以上。而在入射光功率约为100mW和25V偏压的情况下,测得半球形GaAs探测器的双光子响应度达到了2mA/W以上。在相同入射光功率和相同的偏置电压下,对同种材料的GaAs块状探测器和半球形探测器的响应度进行了比较研究,证明GaAs半球形光电探测器的双光子响应灵敏度提高了5倍。测量了半球形Si探测器光电流随入射光偏振方向的变化关系,实验数据很好地符合Si单晶双光子吸收理论,并且求出Si的两个独立的三阶非线性极化率张量元之比为0.42。测得的半球形GaAs探测器的光电流随入射光偏振方向的变化关系符合GaAs单晶倍频吸收理论,分析认为GaAs的远远大于暗电流并符合双光子响应的背景电流,是直流电场诱导的场致倍频吸收和GaAs禁带中由于EL2能级的存在而产生的两步单光子吸收所共同作用的结果。半球形Si探测器光电流随偏置电压的增加出现饱和现象,但是GaAs探测器光电流随偏置电压的增加而增加,并未出现饱和。通过以上对半球形GaAs和Si探测器的研究,得到的结论是:半球形GaAs双光子响应探测器的主要工作机制是倍频吸收,而在低偏压下半球形Si双光子响应光电探测器的主要物理机制是双光子吸收。此外,本文还探讨了研制以场致倍频吸收为主要工作机理的高灵敏度Si基双光子响应探测器的可行性。

论文目录

• 提要
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 倍频效应和双光子吸收
• 1.2.1 二次谐波产生、场致倍频效应和双光子吸收现象
• 1.2.2 双光子响应技术的应用
• 1.3 本论文的工作
• 参考文献
• 第二章 双光子响应基本理论和固浸透镜工作原理
• 2.1 非线性光学耦合波方程
• 2.2 倍频效应
• 2.2.1 二次谐波产生
• 2.2.2 光整流效应
• 2.2.3 倍频极化强度和光整流极化强度
• 2.2.4 倍频效应在其他方面的应用
• 2.3 双光子吸收
• 2.3.1 唯象的描述
• 2.3.2 双光子耦合波方程
• 2.4 固浸透镜工作原理
• 2.4.1 衍射效应对显微镜空间分辨率的限制
• 2.4.2 固浸透镜的基本原理
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 半球形硅双光子响应光电探测器的研究
• 3.1 引言
• 3.2 硅的晶体结构和性质
• 3.3 半球形 Si 探测器的制作
• 3.3.1 Si 半球的制作
• 3.3.2 电极的制作
• 3.4 半球形 Si 探测器双光子响应特性的研究
• 3.4.1 测量光电流的实验装置
• 3.4.2 半球形Si 探测器的光电流与入射光功率的关系
• 3.4.3 半球形Si 探测器的光电信号与外置偏压的关系
• 3.4.4 半球形Si 探测器双光子吸收的各向异性
• 3.5 硅材料场致倍频效应的研究
• 3.5.1 破坏材料对称性的方法
• 3.5.2 硅材料场致等效二阶极化率张量的形式
• 3.5.3 硅材料场致倍频效应极化强度
• 3.6 小结
• 参考文献
• 第四章 半球形GaAs 双光子响应光电探测器的研究
• 4.1 GaAs 的晶体结构和性质
• 4.2 半球形 GaAs 探测器双光子响应特性的研究
• 4.2.1 GaAs 半球的制作
• 4.2.2 电极的制作
• 4.2.3 测量光电信号的实验装置
• 4.2.4 半球形GaAs 探测器的光电流与入射光功率的关系
• 4.2.5 半球形GaAs 探测器双光子响应的各向异性
• 4.2.6 半球形GaAs 探测器的光电信号与外加偏压的关系
• 4.3 小结
• 参考文献
• 第五章 总结
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及其他成果
• 摘要
• ABSTRACT