基于半导体时间分辨荧光淬灭实现太赫兹波相干探测的研究

Photoluminescence from a semiconductor excited by a femtosecond laser pulse can be weakened by an incident THz wave pulse. This photoluminescence quenching (PLQ) effect contains a wealth of information about the interaction of THz wave with semiconductors, and can be used to detect the THz wave. This project will study THz-induced time-resolved PLQ in bulk semiconductors at room temperature. Taking first principle as the criterion, the semiclassical Boltzmann carrier transport equations will be solved numerically by performing the ensemble Monte Carlo method, which will be used to analyze the effects of THz wave on the fluorescence intensity for semiconductors. Taking a femtosecond laser as the excitation source and a broadband THz wave as the quenching source, and taking bulk semiconductors as the target, an experimental set-up will be built to observe the THz-induced time-resolved PLQ. By making some researchs on theory and experiment, it is expected to search a new method to coherently detect THz wave, having broad application prospects.

飞秒激光激励半导体产生的荧光能被入射的太赫兹脉冲所减弱，这种荧光淬灭效应包含了太赫兹波与半导体相互作用的丰富信息，可用于太赫兹波的探测。本项目研究室温下脉冲太赫兹波诱导半导体时间分辨荧光淬灭效应，从半经典波尔兹曼载流子传输模型出发，以第一性原理为准则，采用系综蒙特卡罗法数值分析太赫兹波对半导体光致荧光的影响。以飞秒激光为激励源，以宽频太赫兹波为淬灭源，以块状半导体材料为对象，搭建实验系统观测时间分辨荧光淬灭效应。通过理论与实验研究，可望探索出一种新型的太赫兹波相干探测方法，具有广阔的应用前景。

前期研究提出在室温下，通过蒙特卡罗算法，求解半导体的玻尔兹曼方程，可以获得在不同外界条件下，半导体内载流子的分布情况，从而实现对半导体时间分辨型荧光淬灭现象的研究。在本次项目中，我们主要研究了荧光的线性与非线性特性，以及在强太赫兹场下，半导体的远场辐射现象。获得结果总结如下：首先，我们研究了基于GaAs的荧光响应太赫兹的频率特性。室温下(300K)，当外加直流电场为20kV/cm，采样时间为140fs时，荧光响应太赫兹脉冲的线性区域为0.1-4THz，通过缩短采样时间可以扩大这个区域。其次，基于GaAs，研究了太赫兹场强，直流电场，采样时间对荧光响应太赫兹非线性性质的影响，结果显示有两种方法可以改善荧光响应太赫兹脉冲的线性区域：控制采样时间和控制总的外场强度。这两者通过改变电子获得的能量来改善荧光的线性区域，对它们合理的选择，可以尽可能增大线性响应的范围。再者，我们研究了高掺杂的InSb和InAs在强太赫兹场中的非线性辐射响应，结果发现不同强度的太赫兹场呈现出不同的辐射场性质，强太赫兹场能触发谐波的产生，另外，在不同的材料中会发生不同的散射机制，比如，重掺杂的InSb中主要发生的是碰撞电离，而InAs中是碰撞电离和谷间散射共同发生。最后，针对强太赫兹场下GaAs和InSb中瞬态谷间散射和碰撞电离，以及它们引起的一些非线性效应进行了研究，结果表明在GaAs中，主要的散射机制是谷间散射，而在InSb中碰撞电离占据主要地位，发生的散射不同，使得这两种材料中的平均动能，速度过冲效应和导电率在强太赫兹场中都表现出不同的变化趋势。