锗在吸收边附近热光系数的理论建模与测量

摘要

折射率和热光系数是表征材料光学性质重要的参量。作为常用的红外光学材料，锗在透明区光学性质研究很成熟，但在吸收边附近(1550nm附近，属于近红外区)，它的折射率和热光系数相关研究较少，论文仔细分析了锗材料在吸收边附近区域的光学吸收过程，指出本征吸收与激子吸收对吸收边热光效应存在较大的影响；利用吸收系数和折射率的内在联系，建立锗材料在吸收边附近的热光系数模型；并搭建实验平台实际测量了吸收边附近区域锗的热光系数。
　　理论建模的具体思路为：在吸收边附近主要的吸收过程有本征吸收与激子吸收。本征吸收是由电子带间跃迁引起的，包括带间间接跃迁和带间直接跃迁，建模时忽略带间间接跃迁影响，只考虑跃迁概率较高的带间直接跃迁，这一部分借助经典的谐振子模型来描述。其中，按照对热光系数贡献的大小，带间直接跃迁又分为 E0直接跃迁和其余直接跃迁。用简单的抛物线能带结构来描述E0直接跃迁；其余直接跃迁对热光系数的贡献则用透明区的折射率模型来计算。鉴于所讨论为吸收边附近区域，论文重点讨论激子吸收对吸收边附近热光效应的影响，采用wannier激子模型描述。尝试建立wannier模型中变量与温度函数关系，即可推导出介电常数与温度的关系，进而得到折射率—温度关系。最后，将谐振子模型与 wannier激子模型结合，实现对吸收边光学现象的描述。根据所建模型进行理论计算发现，吸收边附近热光效应出现反常现象，即随温度升高呈递增趋势的锗的热光系数曲线在吸收边附近出现一个突变，即热光系数由正值变为负值之后，再趋于某一正值。
　　论文搭建了基于光纤传感器的实验平台对锗膜的热光系数进行准确测量。利用蒸镀工艺在光纤端面镀上锗膜作为传感单元，利用高低温实验箱产生可调温度场，实验测量置于温箱中的锗膜反射率随温度的变化曲线，进而根据反射率—折射率关系得到折射率—温度系数，即热光系数。实验结果表明：如理论模型所预测，在吸收边附近，锗的热光系数随温度升高出现由正到负的变化。实验结果与理论模型基本相符，但实验结果中热光系数的减小趋势比理论预测要小。论文最后分析了理论模型与实验结果存在误差的原因，并指出之后工作的重点和努力方向。

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第一章 绪论

1.1 锗材料及其热光效应

1.2 热光系数的理论建模

1.3 热光系数的实际测量

1.4 论文内容安排

第二章 锗材料的光学常数与测量方法

2.1 锗材料的光学常数及其相互关系

2.2 第一布里渊区间锗的能带结构及跃迁过程

2.3 吸收边附近的激子效应

2.4 强吸收区的折射率检测方法

2.5 本章小结

第三章 锗在吸收边附近热光系数的理论建模

3.1 吸收边附近热光系数的表达

3.2 E0处带间直接跃迁的表达式

3.3 背景对热光系数的影响

3.4 激子条件下锗介电常数建模

3.5 吸收边总的热光系数计算

3.6 本章小结

第四章 锗的热光系数传感模型与实验测量

4.1 吸收区锗膜的反射率模型

4.2 锗膜制作

4.3 锗膜与厚度测量

4.4 锗膜热光系数的测量

4.5 本章小结

第五章 吸收边附近锗膜的热光系数与讨论

5.1 实验结果分析

5.2 传感模型与理论模型的吻合度

5.3 误差分析

5.4 总结与后续工作

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文