用于超短脉冲CO 2 激光的半导体光开关理论建模与数值仿真

发布时间：2023-11-05 12:43

　　超短脉冲CO₂激光不仅是研究固体表面等离子体和光化学等的有力工具,而且在粒子加速等领域也具有明显的优势。半导体光开关法具有输出稳定性高,便于装调,可实现皮秒甚至飞秒量级的脉宽可控输出等独特优势,是获得脉宽可调超短脉冲CO₂种子激光的较优选择,但国内还未见利用半导体开关技术在10.6μm波段实现皮秒量级种子光输出的报道。目前,半导体光开关技术实现超短脉宽CO₂种子激光输出方面的理论并不完善,尤其是两级半导体光开关还未见完整的理论及仿真分析报道。本文主要对基于半导体光开关技术实现超短脉宽CO₂激光输出的物理机制进行理论研究及数值模拟分析。首先,对激光照射下半导体表层及内部非平衡载流子的产生、扩散及复合机制进行全面分析,发现直接吸收、自由载流子吸收、俄歇复合、等离激元辅助复合、双极扩散及高能载流子弛豫等物理过程是决定光开关表面等离子体密度变化的重要因素,在理论建模中不可忽视。然后通过深入研究并引入上述物理过程,完善了半导体光开关理论模型,且给出了单级及两级光开关理论模型详细的数学表达及数值解析结果。其次,...

【文章页数】：73 页

【学位级别】：硕士

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摘要
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第1章 引言
    1.1 选题背景及研究意义
    1.2 国内外发展现状
    1.3 主要研究内容及结构安排
第2章 激光辐照半导体理论分析
    2.1 半导体锗能带结构
    2.2 半导体光吸收机制
        2.2.1 本征吸收
        2.2.2 激子吸收
        2.2.3 自由载流子吸收
        2.2.4 杂质吸收
        2.2.5 晶格振动吸收
    2.3 非平衡载流子的复合
        2.3.1 辐射复合
        2.3.2 非辐射复合
    2.4 等离子体的扩散
    2.5 高能载流子的弛豫过程
    2.6 本章小结
第3章 用于超短脉冲CO2激光的半导体光开关理论建模
    3.1 半导体光开关结构及原理
    3.2 Alcock半导体光开关理论模型
    3.3 改进理论模型中光开关工作阶段等离子体密度演化
        3.3.1 光开关表面温度变化
        3.3.2 直接吸收系数
        3.3.3 自由载流子吸收系数
        3.3.4 等离激元辅助复合
    3.4 改进理论模型中光开关恢复阶段等离子体密度演化
    3.5 半导体光开关反射特性的突变
    3.6 两级半导体光开关理论模型
    3.7 本章小结
第4章 超短脉宽CO2激光数值模拟
    4.1 Alcock理论模型数值模拟及评价
    4.2 等离子体密度演化数值模拟
        4.2.1 光开关工作阶段
        4.2.2 光开关恢复阶段
    4.3 单级反射开关输出CO₂ 光脉冲数值模拟
    4.4 单级透射开关输出CO₂ 光脉冲数值模拟
    4.5 两级光开关输出CO₂ 光脉冲数值模拟
    4.6 改进模型评价
    4.7 本章小结
第5章 超短脉宽CO₂激光输出的影响因素分析
    5.1 单级反射光开关输出超短CO₂ 光脉冲影响因素
        5.1.1 控制光脉冲能量密度的影响
        5.1.2 控制光脉冲宽度的影响
        5.1.3 控制光脉冲波长的影响
    5.2 两级半导体光开关输出超短CO₂ 光脉冲影响因素
        5.2.1 延迟时间的影响
        5.2.2 控制光脉冲能量密度的影响
        5.2.3 控制光脉冲宽度的影响
        5.2.4 控制光脉冲波长的影响
    5.3 本章小结
第6章 总结
参考文献
附录 文中常用参量对照表
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果



本文编号：3861052