Cd0.96Zn0.04Te光致载流子动力学特性的太赫兹光谱研究

采用光抽运-太赫兹探测技术研究Cd_0.96Zn_0.04Te的载流子弛豫和瞬:态电导率特性.在中心波长800 nm的飞秒抽运光激发下,Cd_0.96Zn_0.04Te的载流子弛豫过程用单指数函数进行了拟合,其载流子弛豫时间长达几个纳秒,且在一定光激发载流子浓度范围内随光激发载流子浓度的增大而减小,这与电子-空穴对的辐射复合有关.在低.光激发载流子浓度(4.51×10¹⁶—1.81×10¹⁷ cm^-3)下,Cd_0.96Zn_0.04Te的太赫兹(terahertz,THz)瞬态透射变化率不随光激发载流子浓度增大而变化,主要是由于陷阱填充效应造成的载流子损失与光激发新增的载流子数量近似.随着光激发载流子浓度继续增大(1.81×10¹⁷—1.44×10¹⁸ cm^-3),THz瞬态透射变化率随光激发载流子浓度的增大而线性增大,是由于缺陷逐渐被...     

低温生长砷化镓的超快光抽运-太赫兹探测光谱

本文采用光抽运-太赫兹探测技术系统研究了低温生长砷化镓(LT-GaAs)中光生载流子的超快动力学过程.光激发LT-GaAs薄层电导率峰值随抽运光强增加而增加,最后达到饱和,其饱和功率为54μJ/cm~2.当载流子浓度增大时,电子间的库仑相互作用将部分屏蔽缺陷对电子的俘获概率,从而导致LT-GaAs的快速载流子俘获时间随抽运光强增加而变长.光激发薄层电导率的色散关系可以用Cole-Cole Drude模型很好地拟合,结果表明LT-GaAs内部载流子的散射时间随抽运光强增加和延迟时间(产生光和抽运光)变长而增加,主要来源于电子-电子散射以及电子-杂质缺陷散射共同贡献,其中电子-杂质缺陷散射的强度与光激发薄层载流子浓度密切相关,并可由散射时间分布函数α来描述.通过对光激发载流子动力学、光激发薄层电导率以及迁移率变化的研究,我们提出适当增加缺陷浓度,可以进一步降低载流子迁移率和寿命,为研制和设计优良的THz发射器提供了实验依据.     

GaAs中带填充效应与带隙重整化效应的竞争

采用时间分辨线偏振光抽运-探测光谱研究常温下本征GaAs中载流子弛豫动力学,观察到饱和吸收和吸收增强现象.发现载流子浓度为2×10¹⁷ cm^-3, 探测光子能量小于1.549 eV时,饱和吸收现象比较明显,反之,有明显的吸收增强现象出现.载流子浓度大于7×10¹⁶ cm^-3的范围内,吸收增强信号随时间增大没有减弱的趋势,反而有继续增强的趋势.理论上,考虑带填充效应和带隙重整化效应的竞争,模拟得到与实验谱线相符合的结果. 关键词： 飞秒抽运-探测光谱 带填充效应 带隙重整化效应 载流子寿命     

自旋极化度对GaAs量子阱中吸收饱和效应与载流子复合动力学的影响研究

本文研究了(001) GaAs量子阱薄膜中重空穴激子近共振抽运-探测的载流子自旋弛豫动力学, 发现载流子的自旋极化对传统的线偏振光吸收饱和效应和载流子复合动力学都有影响. 进一步的抽运流依赖的自旋弛豫和复合动力学研究表明, 自旋极化对线偏振光的吸收饱和效应的影响随抽运流降低而变弱. 在低激发流时, 自旋极化对线偏振吸收饱和效应的影响才可忽略. 然而, 又显现出自旋极化对复合动力学的影响. 分析表明复合动力学的自旋极化依赖性起源于重空穴激子形成浓度的自旋极化依赖性. 复合动力学的自旋极化依赖性表明自旋弛豫时间计算中所涉及的复合时间应该使用自旋极化载流子的复合时间. 基于二维质量作用定律的激子浓度计算表明, 库仑屏蔽效应对激子形成的影响在较低激发载流子浓度下可以忽略.     

Ge2Sb2Te5非晶薄膜中超快载流子动力学的飞秒分辨反射光谱研究

利用飞秒时间分辨抽运-探测反射光谱技术研究了室温下Ge₂Sb₂Te₅非晶薄膜中载流子超快动力学及其激发能量密度依赖性.发现光激发后05 ps时间内,反射变化率降到最小值,然后开始迅速增加,在几个皮秒时间内达到大于初始反射率的新的最大值.反射率的减小量、增加量和增加速率均随激发能量密度的增大而增加.利用高密度等离子体的Auger复合及其感应的晶格加热模型较好地定量解释了反射率由最小到最大的快速变化过程,表明高密度等离子体的Auger复合加热 关键词： 抽运-探测光谱 2Sb₂Te₅非晶薄膜')" href="#">Ge₂Sb₂Te₅非晶薄膜 Auger复合 载流子动力学     

长寿命吸收过程对超快动力学过程测量的影响

使用飞秒时间分辨抽运-探测透射光谱技术,实验研究了GaAs体材料中光激发载流子的超快弛豫动力学的波长依赖.在相同的光激发载流子浓度和抽运/探测比时,发现760 nm和780 nm两中心波长处的瞬态透射变化延迟扫描信号出现负的和振荡的信号.与模拟计算结果对比,判定该实验瞬态信号是错误的.分析探测器输出波形,发现是由于反相波形导致的,而引起反相波形的原因在于样品中存在长寿命的吸收过程.指出通过提高探测器上的抽运/探测比能够矫正反相波形,从而获得正确的瞬态透射变化动力学.提高探测器上的抽运/探测比与目前的应尽量减小抽运光对探测器的散射贡献的观点是对立的.文章的研究结果对应用抽运-探测时间分辨光谱技术正确地测量超快瞬态动力学过程具有重要的参考价值. 关键词： 时间分辨抽运-探测透射光谱 饱和吸收 吸收增强 GaAs体材料     

光抽运太赫兹探测技术研究ZnSe的光致载流子动力学特性

利用光抽运-太赫兹探测技术,研究了ZnSe的载流子弛豫过程和太赫兹波段电导率的时间演化过程.在中心波长为400 nm的抽运光作用下,ZnSe的载流子弛豫过程用双指数函数进行了很好的拟合,其快的载流子弛豫时间和慢的载流子弛豫时间均随抽运光密度的增加而增大.快的载流子弛豫时间随抽运光密度的增加而增大与样品中的缺陷有关,随着激发光密度的增加,激发的光生载流子浓度增大,缺陷逐渐被光生载流子填满,致使快的载流子弛豫时间增大;慢的载流子弛豫时间随着抽运光密度增加而增大主要和带填充有关.不同抽运光延迟时间下ZnSe在太赫兹波段的瞬态电导率用Drude-Smith模型进行了很好的拟合.对ZnSe光致载流子动力学特性的研究为高速光电器件的设计和制造提供了重要的实验依据.     

GaSe晶体的双光子吸收对太赫兹输出的影响

根据光整流效应,利用超快激光脉冲泵浦GaSe晶体实现了0.2~2.5 THz的宽带太赫兹辐射输出。禁带中的电子在两个800 nm光子的作用下激发到导带中形成自由载流子,进而吸收所产生的太赫兹辐射,最终导致太赫兹的输出随泵浦功率的增加而趋于饱和。为了研究双光子吸收对太赫兹输出的影响,测量了800 nm处的GaSe晶体的双光子吸收系数,结果为 0.165 cm/GW。通过对太赫兹输出实验数据的拟合,得到GaSe晶体中自由载流子对太赫兹输出的吸收截面为1×10^-15 cm²。本文的研究结果可用于优化GaSe晶体在强激光泵浦下的太赫兹转换效率。     

GaN晶体在飞秒紫外波段激发下的可变非线性吸收效应和光动力学过程研究

采用Z扫描和泵浦-探测技术研究了GaN薄膜在370 nm时的非线性光学效应和非线性光动力学过程。首先,基于GaN薄膜的透射光谱,结合线性光学理论分析得到了其在370 nm的线性折射率n₀、线性吸收系数α₀、光学带隙E_g等线性光学性质。采用飞秒激光Z扫描技术,得到了不同光强激发下的Z扫描实验响应结果,结合非线性光学理论提取出GaN薄膜可变的光学非线性吸收效应。在激发光子能量接近GaN带隙情况下,低光强时材料表现为饱和吸收而高光强时为反饱和吸收,这是因为低光强下单光子吸收占主导而高光强下以单光子感应自由载流子吸收为主。闭孔Z扫描测量得到了GaN薄膜的三阶非线性折射系数为n₂=-(1.0±0.1)×10-3 cm2·GW-1,它几乎比传统非线性介质的高出一个数量级。为了探究上述非线性过程的动力学弛豫时间以及进一步探究GaN薄膜非线性光动力学过程的深层物理机制,采用了交叉偏振飞秒退相泵浦探测技术观察GaN薄膜的光激发载流子动力学弛豫过程。实验结果表明,在低光强下,饱和吸收效应来源于瞬态单光子吸收,高光强下单光子感应自由载流子吸收为非瞬态光动力学过程,其自由载流子弛豫时间约为17 ps。该工作将为GaN薄膜在紫外非线性纳米器件应用以及GaN薄膜非线性过程的机制分析理解提供新的思路。     

调制自由载流子吸收测量半导体载流子输运参数的三维理论

推导出用于测量半导体载流子输运特性(载流子寿命、载流子扩散系数和前表面复合速度)的调制自由载流子吸收(modulated free carrier absorption, MFCA)检测技术的三维理论模型,给出了调制自由载流子吸收检测信号与调制频率和抽运-探测光相对距离的关系.定性分析了在不同调制频率时各个载流子输运参数对径向位置扫描曲线(信号与两束光相对距离的关系)的影响,结果表明调制自由载流子吸收检测信号对各个参数的灵敏度随抽运-探测光相对距离的增加而增加.仿真和实验结果表明,通过拟合不同调制频率时调 关键词： 调制自由载流子吸收 载流子输运特性 径向位置扫描     

GaAs在光通讯波段的超快非线性光学研究

采用Z-扫描和泵浦-探测技术,在光通讯波段对砷化镓(GaAs)单晶进行了非线性动力学以及非线性光学的实验研究.飞秒泵浦-探测实验结果表明,三阶非线性光学效应源于砷化镓单晶对飞秒激光的瞬态双光子吸收,而五阶非线性光学效应源于砷化镓单晶双光子吸收诱导的自由载流子吸收效应.通过Z扫描实验,得到了关于GaAs单晶所有的非线性光学参数,包括双光子吸收系数、三阶非线性折射系数、双光子吸收诱导的自由载流子吸收截面以及双光子吸收诱导的自由载流子折射截面.结果表明,砷化镓单晶在制造光限幅器件和光电探测器方面具有良好的发展前景.     

硒化镉载流子的超快动力学研究

硒化镉是一种可用于X射线全光分幅相机和全光条纹相机的重要探测材料。用基于相位物体的泵浦探测方式,研究了硒化镉在1030nm波长,飞秒脉冲下的载流子超快动力学和非线性光学特性。得到了双光子吸收系数、载流子吸收截面、载流子复合时间等参数。实验表明,硒化镉载流子的动力学和非线性特性是由束缚电子和载流子共同决定的。束缚电子的克尔效应和双光子激发都是瞬态的,而载流子复合持续了较长时间。这些参数和载流子图像的的获得,为X射线超快探测器件的设计和改进提供了参考。     

Ultrafast carrier dynamics of Cu2O thin film induced by two-photon excitation

Cuprous oxide (Cu₂O) has attracted plenty of attention for potential nonlinear photonic applications due to its superior third-order nonlinear optical property such as two-photon absorption. In this paper, we investigated the two-photon excitation induced carrier dynamics of a Cu₂O thin film prepared by radio-frequency magnetron sputtering, using the femtosecond transient absorption experiments. Biexponential dynamics including an ultrafast carrier scattering (< 1 ps) followed by a carrier recombination (> 50 ps) were observed. The time constant of carrier scattering under two-photon excitation is larger than that under one-photon excitation, due to the different transition selection rules and smaller absorption coefficient of the two-photon excitation.     

Multiphoton generation of electron-hole pairs involving free carriers in an indirect-gap crystal

The paper reports on a study of nonlinear absorption of high-intensity laser radiation in the case where the photon energy is less than one half of the indirect-gap width in a crystal. The deficiency in the energy needed for two-photon excitation of the electron-hole pair is made up by the kinetic energy of free electrons, which was acquired in intraband nonlinear absorption of light. The probabilities of Auger-type indirect two-photon interband transitions involving free electrons have been calculated by perturbation theory. It is shown that, for a free-carrier concentration in the conduction band n _c ? 10¹⁵ cm^?3, and the radiation intensity range of interest for the experiment, j ～ 3–10 GW/cm², the calculated probabilities of such transitions exceed by several orders of magnitude those of “conventional” direct and indirect (involving phonons) multiphoton transitions which can take place in the system considered.     

飞秒激光Z扫描技术研究CS_2的非线性特性

利用波长为800 nm的飞秒激光脉冲,通过Z扫描技术研究了CS2在不同光强下的非线性折射和非线性吸收特性发现,随着光强的增加,闭孔Z扫描透过率曲线发生了较大的轴向移位。分析结果表明:在低光强下,这种轴向移位源于双光子吸收的影响;而在高光强下,是双光子吸收和五阶非线性共同作用的结果。给出了决定五阶非线性存在与否的临界光强,以及非线性参量与轴向位移的关系。     

Nonlinear Bragg structures based on ZnS/ZnSe superlattices

Nonlinear optical response of periodic ZnSe/ZnS heterostructures is reported using interband excitation of a ZnSe sublattice by nano-, pico- and femtosecond laser pulses. A considerable shift of the reflection spectrum and large relative reflection changes were observed in a wide spectral range corresponding to the transparency region of ZnSe far from the intrinsic absorption onset. Evaluated refraction-index change is about −0.05 with the relaxation time being about 3 ps. In the case of femtosecond excitation, a wide-band nonlinear response is observed for both one-photon near-UV and two-photon near-IR excitation. The nonlinear refraction is supposed to be controlled by population-induced absorption changes in ZnSe single crystals and relevant refraction-index modification via Kramers–Kronig relations. The nonlinearity relaxation time is supposed to trace a transition from a non-equilibrium to a quasi-equilibrium distribution of electrons and holes within ZnSe conduction and valence bands, respectively, rather than the electron–hole recombination time. The nonlinearity mechanism does not reduce to just population-dependent absorption saturation, but essentially results from the specific distribution function in the first instance after excitation.     

Optical nonlinearities and photo-excited carrier lifetime in CdS at 532 nm

Bound-electronic and free-carrier optical nonlinearities, and relaxation of photo-excited free carriers in CdS have been investigated by the use of a single-beam Z-scan technique at 532 nm. Under pulsed radiation of 35-ps duration with the input irradiances up to 4.8 GW/cm², the two-photon absorption coefficient, the bound-electron nonlinear refractive index, the free-carrier absorption cross-section, and the change in the refractive index per unit carrier density are determined to be 5.4±0.8 cm/GW, −(5.3±0.8)×10⁻¹³ cm²/W, (3.0±0.5)×10⁻¹⁷ cm² and −(0.8±0.1)×10⁻²¹ cm³, respectively. By using these values in the open-aperture Z-scans conducted with 7-ns laser pulses, the carrier recombination time is extracted to be 3.6±0.7 ns. The measured parameters are compared to theoretical calculations.     

飞秒激光激发下本征GaP非线性吸收及Kerr效应的实验研究

采用掺镱光子晶体光纤飞秒激光放大器为抽运源,搭建了偏振分辨的Z-scan实验系统.实验研究了块状本征磷化镓(GaP)晶体的非线性吸收和非线性折射率系数.研究证明,在中心波长1 μm飞秒激光的作用下,本征GaP晶体的非线性吸收主要为三光子吸收.而且还表明本征GaP的非线性吸收和非线性折射率系数具有很强的各项异性、偏振相关性及饱和特性. 关键词： 磷化镓 Z-scan Kerr效应 三光子吸收     

Z-scan analytical theory for material with saturable absorption and two-photon absorption

By using the Adomian decomposition method, we present the transmitted optical intensity of a nonlinear medium with the concurrence of saturable absorption (SA) and two-photon absorption (TPA) processes. We obtain the analytical expression of the open-aperture Z-scan and investigate the interplay between SA and TPA in the Z-scan trace. Through Z-scan measurements at different levels of laser intensities, both the saturable intensity and TPA coefficient could be obtained quickly yet unambiguously.