半导体可饱和吸收体光学性质的第一性原理研究

摘要

以半导体激光器(LD)作为泵浦源的全固态调Q激光器，具有全固体、整机小而坚固的优点，以及高效率的泵浦抽运等优势，表现出很好的应用前景，从而引起人们广泛的关注。全固态调Q激光器的调Q元件对于激光的输出特性极为关键，因此如何优化它的各项性能参数成为激光器设计人员的研究重点。作为被动调Q元件的新型代表，GaAs半导体可饱和吸收体具有操作简便、构造简单及价格便宜的优点，在被动调Q激光领域已逐渐成为研究人员关注的焦点。
　　 本论文采用第一性原理的量子力学研究方法，分别对含有本征点缺陷的GaAs晶体和不同Bi浓度的GaAs1-xBix晶体的电子结构和光学性质进行了理论研究，并对其模拟计算的结果进行了详细的分析。论文的主要创新性内容包括以下两个部分:
　　 (Ⅰ)采用第一性原理的方法首先对含有镓空位、砷空位、镓反位、砷反位、镓间隙或砷间隙等不同本征点缺陷的GaAs晶体的晶格结构进行几何优化，得到能量最低的稳定构型;然后根据能带结构和分波态密度图对由各种本征点缺陷引起的缺陷能级及其电子占据态进行分析;最后计算了含有几种本征点缺陷的GaAs饱和吸收体的光学性质，发现含有镓空位、砷空位或镓反位的GaAs晶体的吸收边红移程度大于含有砷反位、镓间隙或砷间隙的GaAs晶体，且在近红外区域的吸收系数前者也大于后者。同时也造成了含镓空位、砷空位或镓反位的GaAs晶体的介电函数实部和折射率在近红外区域发生了红移。GaAs中本征缺陷能级的理论研究对于分析GaAs可饱和吸收体对光子的吸收机理有重要帮助，并对GaAs晶体作为饱和吸收体用作被动调Q元件具有理论指导意义;
　　 (Ⅱ)采用第一性原理的方法，计算并研究不同Bi原子掺杂浓度的GaAs1-xBix晶体的电子结构和光学性质，得到了Bi原子掺杂浓度渐变的六种GaAs1-xBix晶体的能带结构图和分波态密度图，以及各项光学性质谱线。发现Bi原子的掺杂浓度越高，GaAs1-xBix晶体的带宽越小，且晶体的吸收带边和主要的吸收峰都发生红移;GaAs1-xBix晶体的各项光学常数，包括吸收系数、折射率、消光系数、光电导率等，在Bi浓度x＞3.1％时大于纯GaAs，而当x＜3.1％时则小于纯GaAs，这主要是由含Bi的缺陷能级与主能级之间的带内排斥造成的，其中也包括了导带上Bi-6p，Bi-6s，Ga-4p，Ga-4s轨道的贡献;Bi掺杂也对介电函数及折射率的调制起到了很大的作用。这些结果都预示着GaAs1-xBix极有可能成为一种新的半导体可饱和吸收体，可在激光调Q或锁模技术中获得重要的应用。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 引言

1．1 全固态激光器

1．2 调Q的基本原理及常用的调Q技术

1．2．1 调Q的基本原理

1．2．2 常用的几种主被动调Q技术

1．3 本文的主要研究内容

第二章 分子模拟技术概述

2．1 引言

2．2 分子模拟技术的基本方法

2．2．1 分子力学方法(Molecular mechanics，MM)

2．2．2 蒙特卡洛方法(Monte Carlo，MC)

2．2．3 量子力学方法(Quantum mechanics，QM)

2．2．4 分子动力学方法

2．2．5 介观模拟方法(mesoscale simulation)

2．3 第一性原理计算的基本理论

2．3．1 第一性原理计算

2．3．2 密度泛函理论

2．4 Castep模块基本理论和使用方法介绍

2．4．1 赝势

2．4．2 超晶胞方法

2．4．3 Castep模块的使用

第三章 含本征点缺陷的GaAs可饱和吸收体光学性质的第一性原理研究

3．1 引言

3．2 晶体光学性质的理论描述

3．3 计算方法和模型

3．4．结果和讨论

3．4．1 电子结构

3．4．2 光学性质

3．5 总结

第四章 Bi掺杂GaAs晶体的电子结构和光学性质的第一性原理研究

4．1 引言

4．2 计算方法和模型

4．3 结果与讨论

4．3．1 电子结构

4．3．2 光学性质

4．4 总结

第五章 全文总结

5．1 论文完成的工作

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士论文期间发表的学术论文