半導(dǎo)體材料中的多光子吸收效應(yīng)研究進(jìn)展

趙成城,李家發(fā)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

在光的強(qiáng)度不是很大的時(shí)候,半導(dǎo)體中的一個(gè)電子只能吸收一個(gè)能量大于能隙的光子而躍遷到更高的能級(jí),這被稱為線性吸收。如果光的強(qiáng)度很大,并且是相干光源,那么半導(dǎo)體中的一個(gè)電子可以同時(shí)吸收多個(gè)能量小于能隙的光子而躍遷到更高的能級(jí),這就是多光子吸收。多光子吸收是一種非線性光學(xué)效應(yīng)。圖1展示了線性吸收和多光子吸收的概念。如果入射光的能量相同,稱為簡(jiǎn)并的多光子吸收；如果入射光的能量不同,稱為非簡(jiǎn)并的多光子吸收。在線性吸收中,光被吸收的速率與光強(qiáng)成正比。然而在多光子吸收中,光被吸收的速率與入射光強(qiáng)度的平方成正比。作為一種特殊情況,在簡(jiǎn)并的多光子吸收中,光被吸收的速率與光強(qiáng)的N次方成正比,其中N等于一個(gè)電子吸收的光子數(shù)目。

圖1 線性吸收和多光子吸收?qǐng)D示

雖然多光子吸收現(xiàn)象很早就被預(yù)測(cè)出來(lái)了,但是由于沒(méi)有相干光源,實(shí)驗(yàn)上一直未能觀測(cè)到。直到激光器問(wèn)世后才有學(xué)者用激光首次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了雙光子吸收[1]。近二三十年來(lái),科研人員已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)上對(duì)多種半導(dǎo)體材料的多光子吸收現(xiàn)象進(jìn)行了研究,既有單質(zhì),也有多元化合物。在多光子吸收的種類方面,實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的主要是雙光子吸收和三光子吸收,數(shù)目更多的多光子吸收需要更強(qiáng)的激光強(qiáng)度和更長(zhǎng)的激光波長(zhǎng),實(shí)驗(yàn)上難以實(shí)現(xiàn)。但是,這些年來(lái)新結(jié)構(gòu)激光器,比如量子級(jí)聯(lián)激光器、帶間級(jí)聯(lián)激光器[2-3],的提出,使人們獲得的激光的波長(zhǎng)越來(lái)越長(zhǎng)。隨著半導(dǎo)體生長(zhǎng)、制造工藝的進(jìn)步和新理論新技術(shù)的應(yīng)用,激光器的功率也越來(lái)越大。這使得多光子吸收的研究可以擴(kuò)展到波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外波段。

半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu),如量子點(diǎn)、量子線、量子阱、以及超晶格等等,是最近幾十年逐漸興起的新型半導(dǎo)體微結(jié)構(gòu)。同樣得益于半導(dǎo)體生長(zhǎng)、制造工藝的發(fā)展,現(xiàn)在已經(jīng)能夠制作出性質(zhì)很好的半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)材料。這些半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)中的載流子在空間的某一個(gè)或幾個(gè)方向上受到限制,性質(zhì)與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料不同。有實(shí)驗(yàn)表明,半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的非線性光學(xué)效應(yīng)[4-6]。同樣的,半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)中的多光子吸收效應(yīng)也比傳統(tǒng)半導(dǎo)體更為強(qiáng)烈和復(fù)雜[7],對(duì)于半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)中的多光子吸收效應(yīng)的研究近年來(lái)逐漸增多[8]。超晶格材料作為半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)的典型代表,其優(yōu)良的光電特性受到了廣泛關(guān)注。并且,通過(guò)調(diào)節(jié)超晶格材料的組分可以改變其帶隙大小和能帶結(jié)構(gòu),展現(xiàn)出了極大的靈活性。目前實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)的數(shù)目最高的多光子吸收(11-光子吸收)就是在InAs/GaSb二類超晶格材料中觀測(cè)到的。考慮到超晶格材料設(shè)計(jì)的靈活性和紅外激光器的發(fā)展,超晶格材料中的多光子吸收效應(yīng)可能會(huì)是未來(lái)較有前景的研究方向。

本文首先簡(jiǎn)單介紹了多光子吸收的理論基礎(chǔ),然后展示了多光子吸收的實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法,接下來(lái)回顧近年來(lái)多光子吸收效應(yīng)的研究成果,最后展望了在半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)中多光子吸收效應(yīng)的研究前景,以及潛在的應(yīng)用方向。

2 理論基礎(chǔ)

多光子吸收是一種非線性光學(xué)效應(yīng),與之相對(duì)應(yīng)的是線性吸收,后者是一種線性光學(xué)效應(yīng)。一般情況下,介質(zhì)的極化率張量χ是與光電場(chǎng)E無(wú)關(guān)的常量,因此光在介質(zhì)中引起的極化強(qiáng)度P與光電場(chǎng)E之間是線性關(guān)系,可以表達(dá)為:

P=ε0χ·E

如果光的強(qiáng)度特別大,或者是一些其他的特殊情況而導(dǎo)致了極化率張量χ隨著光電場(chǎng)E的變化而變化,那么此時(shí)光引起的極化強(qiáng)度P可以表達(dá)為:

P=ε0χ(E)·E

它與光電場(chǎng)E之間不再是線性關(guān)系,而是非線性的變化規(guī)律。

在線性吸收中,電子吸收一個(gè)光子后躍遷到更高的能級(jí)上,此時(shí)光被吸收的速率與光強(qiáng)成正比,表達(dá)為:

并且光子的能量一般是要大于能級(jí)間的能量差,否則能量不守恒。

可是在多光子吸收中,電子能夠吸收多個(gè)光子并躍遷到更高的能級(jí)上。多光子吸收并不是在任何情況下都能發(fā)生,只有光源是相干光才有可能導(dǎo)致多光子吸收。如果入射光只有一種頻率,此時(shí)光被吸收的速率與光強(qiáng)的N次方成正比,其中N等于一個(gè)電子吸收的光子數(shù)目,表達(dá)為[9-10]:

如果入射光有多種頻率,此時(shí)光被吸收的速率與各個(gè)頻率光的光強(qiáng)乘積成正比。以非簡(jiǎn)并的雙光子吸收為例,光被吸收的速率表達(dá)為[11-12]:

多光子吸收過(guò)程中,每個(gè)光子的能量一般要小于能級(jí)間的能量差,否則會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的線性吸收。但是吸收的多個(gè)光子的總能量要大于能級(jí)間距,否則能量不守恒。

半導(dǎo)體的多光子吸收一般指半導(dǎo)體中價(jià)帶的電子同時(shí)吸收多個(gè)光子而躍遷到導(dǎo)帶的現(xiàn)象。通常情況下,多光子吸收中采用的單個(gè)光子的能量小于半導(dǎo)體的帶隙。一般認(rèn)為,半導(dǎo)體對(duì)于能量小于帶隙的光子的吸收非常微弱,可以看作是透明的。但是在多光子吸收中,半導(dǎo)體對(duì)能量小于帶隙的光子產(chǎn)生了強(qiáng)烈的吸收。

雙光子吸收是最簡(jiǎn)單的多光子吸收。經(jīng)過(guò)理論分析可以得出簡(jiǎn)并的雙光子吸收系數(shù)的理論表達(dá)式可以寫為[10-11]:

式中,K(2)是固定值,可以通過(guò)擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求出;Ep與材料有關(guān),一般取常數(shù)即可;n是材料的折射率;?ω是入射光子的能量,Eg是材料的帶隙。從式中可以看出,當(dāng)2?ω非常接近于Eg或者2?ω遠(yuǎn)大于于Eg時(shí)雙光子吸收系數(shù)均很小,在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中需要避免這兩種情況。

采用類似的處理方法,可以得到非簡(jiǎn)并的雙光子吸收系數(shù)表達(dá)式為[11-12]:

其中:

式中,K是固定值,Ep是與材料有關(guān)的常數(shù)；n1和n2是兩種波長(zhǎng)的光在材料中的折射率；?ω1和?ω2是入射光子的能量;Eg是材料的帶隙。從式中可以看出,當(dāng)一種光子的能量非常小,非簡(jiǎn)并的雙光子吸收系數(shù)很大,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)可以利用這一點(diǎn)[12]。

3 測(cè)試方法

多光子吸收的強(qiáng)度比線性吸收弱很多,并且隨著光子數(shù)目的增加而進(jìn)一步減弱。但是多光子吸收速率是隨著光強(qiáng)度的N次方成正比的,增大光強(qiáng)度能夠極大的增加多光子吸收速率。通常使用透鏡把激光聚焦而獲得較大的光強(qiáng)度以實(shí)現(xiàn)多光子吸收。

在進(jìn)行多光子吸收的測(cè)試時(shí),入射光功率密度必須要在較大的范圍內(nèi)變化。Z-掃描(Z-scan)方法可以實(shí)現(xiàn)這種測(cè)試要求[13-14]。其做法是將激光用透鏡聚焦,保持激光功率不變,在激光光軸方向移動(dòng)樣品從而改變照射在樣品上的激光光斑大小,以實(shí)現(xiàn)光功率密度的變化。測(cè)試中同時(shí)記錄下樣品對(duì)激光的吸收和樣品的位置,便可以分析得到樣品的吸收系數(shù)。

假設(shè)激光光強(qiáng)分布遵循高斯分布,那么被吸收的光與樣品位置的關(guān)系為[13]:

式中,P是激光功率;S是樣品上的光斑大小;z0是瑞利長(zhǎng)度;zd是探測(cè)器所處位置;w0是光斑最細(xì)處的半徑大小;而β就是雙光子吸收系數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果如圖2所示。

圖2 Z-掃描方法測(cè)量樣品吸收與樣品位置的關(guān)系示意圖[13](A在激光焦點(diǎn)處)

另一種方法是保持激光聚焦在樣品上,使光斑的大小不變,而改變?nèi)肷浼す獾墓β蔥8,15],再同時(shí)記錄下樣品對(duì)激光的吸收和入射功率,從而分析得出吸收系數(shù)。如果能夠?qū)悠纷龀商綔y(cè)器的形式,吸收的光子就可以直接轉(zhuǎn)換為光電流,而電流的測(cè)試是比較簡(jiǎn)單而又準(zhǔn)確的,吸收系數(shù)就可以通過(guò)光電流而得到。最終得出的雙光子吸收系數(shù)為:

式中,I是光電流;e是電子電荷;A是光斑面積;P是激光功率;?ω是光子能量;ηcoll是樣品的載流子吸收效率;w是吸收區(qū)厚度。實(shí)驗(yàn)的測(cè)量裝置如圖3所示,這種測(cè)試方法不需要測(cè)試光強(qiáng),只要測(cè)量光吸收導(dǎo)致的光電流即可。

圖3 多光子吸收測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

4 歷史發(fā)展

半導(dǎo)體中的多光子吸收最早在1931年就由G?ppert-Mayer教授提出來(lái)了,但是當(dāng)時(shí)由于沒(méi)有相干光源,實(shí)驗(yàn)上一直沒(méi)有觀測(cè)到多光子吸收。直到1960年脈沖紅寶石激光器的發(fā)明之后,在1961年Kaiser和Garrett教授第一次在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到了GaF2晶體中的雙光子激發(fā)熒光,從而驗(yàn)證了雙光子吸收[1]。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,被測(cè)材料發(fā)射的熒光的波長(zhǎng)要小于激發(fā)光源的波長(zhǎng),所以可以推斷是先發(fā)生了雙光子吸收,然后再產(chǎn)生了熒光。接著在1964年Singh和Bradley教授在一種有機(jī)物晶體中首次觀測(cè)到了三光子激發(fā)熒光。

研究學(xué)者已經(jīng)在多種單質(zhì)和化合物半導(dǎo)體材料中觀測(cè)到了多光子吸收,如Si,GaAs,AlGaAs,ZnTe,CdSe,CdTe,CdSxSe1-x,ZnS,ZnO等[11,16]。隨著激光器的發(fā)展,新型激光器如量子級(jí)聯(lián)激光器的提出,激射波長(zhǎng)不斷拓寬,功率不斷增加,因此實(shí)驗(yàn)上也能觀測(cè)到一些窄帶隙半導(dǎo)體材料中的多光子吸收,比如InxGa1-xAs,InSb等。多光子吸收的種類方面,目前在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到的主要是雙光子吸收和三光子吸收。

在理論研究方面的進(jìn)展也很多。1965年,Keldysh教授運(yùn)用隧穿理論計(jì)算多光子吸收速率。1977年,Jones和Reiss教授分別用隧穿理論和微擾理論得到了相同的多光子吸收速率。半導(dǎo)體中的多光子吸收系數(shù)也使用類似的方法計(jì)算出了。1983年,Brandi和de Araújo教授在Keldysh教授隧穿理論的基礎(chǔ)上推導(dǎo)了半導(dǎo)體中的多光子吸收系數(shù)[9]。1984年,Wherrett教授用微擾理論給出了多光子吸收系數(shù)的表達(dá)式[10]。雖然這些表達(dá)式準(zhǔn)確給出了多光子吸收系數(shù)與半導(dǎo)體的帶隙等等參數(shù)之間的關(guān)系,但是卻無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算出吸收系數(shù)的數(shù)值大小。主要原因在于多光子吸收過(guò)程涉及到數(shù)個(gè)光子之間的相互作用,而使得整個(gè)物理過(guò)程的中間狀態(tài)數(shù)目過(guò)多而難以求解。

1985年,Stryland教授等人測(cè)試了ZnTe,CdSe,CdTe,CdSxSe1-x,ZnS,ZnO等一些不同帶隙的半導(dǎo)體材料的雙光子吸收系數(shù)[16]。圖4展示了測(cè)試結(jié)果與雙光子吸收系數(shù)理論值擬合的結(jié)果,可以看出理論對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合相當(dāng)好。根據(jù)這些材料測(cè)出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠求出表達(dá)式中的K(2)。并且,根據(jù)這些數(shù)據(jù)擬合出的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證明能夠適用于帶隙更窄的其他化合物半導(dǎo)體材料。比如,2010年,Olszak等人測(cè)試了InSb的雙光子吸收系數(shù)[17],2013年,Vest等人測(cè)試了Si的雙光子吸收系數(shù)[13],2018年,Piccardo等人測(cè)試了InxGa1-xAs的雙光子吸收系數(shù)[15],實(shí)驗(yàn)值與理論值符合的都相當(dāng)好。非簡(jiǎn)并的雙光子吸收近年來(lái)也有實(shí)驗(yàn)報(bào)道[12],實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與理論值偏差很小。

圖4 各種半導(dǎo)體材料的雙光子吸收系數(shù)擬合圖[16]

三光子吸收在實(shí)驗(yàn)上比雙光子吸收更難實(shí)現(xiàn),因?yàn)槿庾游盏膹?qiáng)度比雙光子吸收弱,需要更大的激光功率才能觀測(cè)到明顯的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。目前對(duì)三光子吸收的報(bào)道很少,測(cè)出的三光子吸收系數(shù)也普遍有較大差異[18]。至于更高階的多光子吸收,由于在化合物半導(dǎo)體中的吸收強(qiáng)度更弱,所需激光強(qiáng)度非常大,實(shí)驗(yàn)上極難觀測(cè)到。尋找具有較強(qiáng)多光子吸收能力的材料成為新的研究方向。新加坡科技與設(shè)計(jì)大學(xué)的Sohn等人在一種光電性質(zhì)優(yōu)異的硫化物玻璃中測(cè)出了最高為11-光子吸收的多光子吸收[19]。以及中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所馬文全研究組在InAs/GaSb二類超晶格材料中測(cè)出了最高為11-光子吸收的多光子吸收[8]。

近些年來(lái),低維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料由于其優(yōu)異的光電性質(zhì)而逐漸受到重視。低維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料中,載流子在空間的某些方向上被限制而無(wú)法自由運(yùn)動(dòng),具體類型有量子點(diǎn),量子線,量子阱或者超晶格等等。這種載流子被限制的特點(diǎn)賦予了低維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料很多特殊的性質(zhì)?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)低維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料具有比普通化合物半導(dǎo)體更強(qiáng)的非線性光學(xué)性質(zhì)。1983年,Miller教授從實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了在量子阱結(jié)構(gòu)中有極強(qiáng)的四波混頻效應(yīng)[20]。2009年Schneider教授證實(shí)了量子阱結(jié)構(gòu)中,利用子能帶間的電子躍遷而實(shí)現(xiàn)非線性雙光子吸收,其比一般化合物半導(dǎo)體強(qiáng)了6個(gè)數(shù)量級(jí)之大[21]。2007年印度的Lad等人測(cè)試了化合物半導(dǎo)體ZnSe和ZnSe/ZnS量子點(diǎn)中的三光子吸收,發(fā)現(xiàn)量子點(diǎn)的三光子吸收截面比化合物半導(dǎo)體的三光子吸收截面強(qiáng)了3到4個(gè)數(shù)量級(jí)[22]。

實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的最高達(dá)到11-光子吸收的多光子吸收實(shí)驗(yàn)就是在低維超晶格材料中觀測(cè)到的[8],其結(jié)果如圖5所示。該實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較奇特,在不同的光功率范圍內(nèi),探測(cè)器產(chǎn)生的光電流分別與光功率的1次方、2次方、5次方、11次方成正比。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)可以確認(rèn)非線性的光電流響應(yīng)分別來(lái)自于雙光子吸收,5-光子吸收和11-光子吸收。結(jié)合超晶格材料的能帶結(jié)構(gòu),文章作者嘗試解釋了雙光子吸收和5-光子吸收。但是對(duì)于11-光子吸收,并沒(méi)有給出解釋。能夠在InAs/GaSb二類超晶格材料中觀測(cè)到其他半導(dǎo)體材料中無(wú)法觀測(cè)到的吸收數(shù)目很大的5-光子吸收和11-光子吸收,說(shuō)明多光子吸收過(guò)程在超晶格材料中被增強(qiáng)了。這也是低維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料具有比普通化合物半導(dǎo)體更強(qiáng)的非線性光學(xué)性質(zhì)的證據(jù)之一。

圖5 在不同的光功率范圍內(nèi),光電流分別與光功率的1次方、2次方、5次方、11次方成正比[8]

目前,研究學(xué)者在越來(lái)越多的半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)中觀測(cè)到了多光子吸收,包括CdSe/CdS量子點(diǎn)[23]和PbS/CdS量子點(diǎn)[24],并且實(shí)驗(yàn)結(jié)果都能證實(shí)多光子吸收在低維結(jié)構(gòu)中的增強(qiáng)。還有學(xué)者在鈣鈦礦晶體中利用多光子吸收制備了光開(kāi)關(guān)器件[25]。隨著測(cè)試手段的豐富和研究的深入,多光子吸收一定能展現(xiàn)出極大的科研和應(yīng)用潛力。

5 未來(lái)展望

半導(dǎo)體作為一種性質(zhì)優(yōu)良的光電材料,被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代社會(huì)生產(chǎn)生活的各種領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)上還發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料具有強(qiáng)烈的非線性光學(xué)效應(yīng),其中就包括多光子吸收效應(yīng)。利用半導(dǎo)體材料的多光子吸收效應(yīng)可以用來(lái)制作各種光電器件[26],比如光耦合器[27-28],光開(kāi)關(guān)[29-30],和量子探測(cè)器[31]等等。還有文章報(bào)道了利用多光子吸收實(shí)現(xiàn)中波紅外探測(cè),其探測(cè)效率與最先進(jìn)的中波紅外探測(cè)器相當(dāng)[12]。

在多光子吸收實(shí)驗(yàn)中所用激光的波段,以前主要是在波長(zhǎng)較短的可見(jiàn)光、近紅外波段。近年來(lái)隨著量子級(jí)聯(lián)激光器、帶間級(jí)聯(lián)激光器等新型結(jié)構(gòu)激光器的發(fā)展,激光器的波長(zhǎng)不斷增加、功率不斷提高,從而可以使多光子吸收的波段擴(kuò)展到中紅外等更長(zhǎng)的波段范圍。材料生長(zhǎng)技術(shù)的發(fā)展使得復(fù)雜的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)可以在實(shí)驗(yàn)室中制備,也同樣令多光子吸收的研究對(duì)象更加豐富了。

半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu),如量子點(diǎn)、量子線、量子阱、以及超晶格等等,由于其優(yōu)良的光電性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注。這些結(jié)構(gòu)的共同點(diǎn)是對(duì)半導(dǎo)體中載流子的運(yùn)動(dòng)有不同程度的限制,因此載流子在某些方向上不能自由運(yùn)動(dòng)而形成了分立的能級(jí)。由于這些特殊的限制,在很多方面半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)材料都表現(xiàn)出了與普通半導(dǎo)體材料不同的性質(zhì)。已經(jīng)有很多實(shí)驗(yàn)證實(shí)了,半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體化合物材料相比,具有更強(qiáng)的非線性光學(xué)效應(yīng)[20-22]。在多光子吸收方面,對(duì)于半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)報(bào)道還不多[8,22]。已有的報(bào)道主要是集中于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析論證,對(duì)于多光子吸收理論的研究推導(dǎo)非常薄弱。相關(guān)的理論研究也需要更深一步的發(fā)展。目前理論發(fā)展的難點(diǎn)在于,多光子吸收理論本身具有很高的復(fù)雜性,多個(gè)光子作用導(dǎo)致可能的中間態(tài)數(shù)目巨大。

短波波段的InAs/GaSb二類超晶格能夠在光強(qiáng)較低的情況下實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的多光子吸收效應(yīng),不論是響應(yīng)強(qiáng)度,還是多光子吸收的階次(最高達(dá)到11-光子吸收),都有明顯的提升,表現(xiàn)出很高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力[8]。InAs/GaSb二類超晶格是近年逐漸興起的性質(zhì)優(yōu)良的紅外材料,它可以通過(guò)調(diào)節(jié)InAs和GaSb材料的厚度來(lái)改變InAs/GaSb二類超晶格結(jié)構(gòu)的帶隙,其探測(cè)波長(zhǎng)能夠覆蓋從1 μm的近紅外到30 μm的遠(yuǎn)紅外甚長(zhǎng)波[31-34]。并且,通過(guò)改變InAs和GaSb的比例能夠調(diào)節(jié)InAs/GaSb二類超晶格的能帶結(jié)構(gòu),包括量子阱中電子能級(jí)和空穴能級(jí)的位置和距離,展現(xiàn)出了很高的靈活性。利用這種靈活性或許可以設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證超晶格材料中多光子吸收的物理過(guò)程。但是,理論上的進(jìn)展比較艱難。多光子吸收本身涉及到深?yuàn)W的物理原理,人們至今仍沒(méi)有辦法計(jì)算出材料的多光子吸收系數(shù)。超晶格自身具有獨(dú)特的物理性質(zhì),如何將多光子吸收效應(yīng)與超晶格中被束縛的電子與空穴的量子態(tài)結(jié)合起來(lái)將會(huì)是巨大的挑戰(zhàn)。在一些半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)中,電子與空穴具有很多相互能量接近的子能級(jí)。有實(shí)驗(yàn)表明,在某些情況下,處于低能態(tài)的電子或空穴有可能利用這些子能級(jí)作為中間狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)數(shù)目較高的多光子吸收。對(duì)于半導(dǎo)體低維結(jié)構(gòu)中多光子吸收的研究或許能夠加深人們對(duì)多光子吸收理論的理解和認(rèn)識(shí),促進(jìn)理論的發(fā)展,具有較高的科學(xué)價(jià)值。

6 結(jié) 語(yǔ)

多光子吸收是一種非線性光學(xué)效應(yīng)。在激光器的幫助下,研究學(xué)者已經(jīng)在多種半導(dǎo)體材料中觀測(cè)到了多光子吸收效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)與多光子系數(shù)理論相吻合,但是,理論仍然無(wú)法推導(dǎo)出半導(dǎo)體材料的多光子吸收系數(shù)。一般的化合物半導(dǎo)體材料中只能實(shí)現(xiàn)數(shù)目較低的雙光子吸收和三光子吸收。在低維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料中,非線性光學(xué)效應(yīng)可以被顯著加強(qiáng),有的能觀測(cè)到數(shù)目很高的多光子吸收。此外,許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)了量子阱、量子點(diǎn)等等結(jié)構(gòu)中多光子吸收效應(yīng)較強(qiáng)。但是現(xiàn)在對(duì)于低維結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料中多光子吸收的研究還比較少。

在多光子吸收實(shí)驗(yàn)中所用激光的波段方面,以前主要是在波長(zhǎng)較短的可見(jiàn)光和近紅外波段。近年來(lái)隨著量子級(jí)聯(lián)激光器、帶間級(jí)聯(lián)激光器等新型結(jié)構(gòu)激光器的發(fā)展,激光器的波長(zhǎng)不斷增加、功率不斷提高,從而可以使得多光子吸收的波段擴(kuò)展到中紅外等更長(zhǎng)的波段范圍。尋找能夠?qū)崿F(xiàn)較高階次多光子吸收的材料或結(jié)構(gòu)有助于多光子吸收理論的發(fā)展,也有利于多光子吸收的實(shí)際應(yīng)用,具有較高的研究?jī)r(jià)值和實(shí)際意義。