强电场偏置强光注入GaAs中瞬态光学特性与瞬态电学特性交互作用输运模式研究

强电场偏置强光注入GaAs中的输运机理存在众多问题，长期限制着光导开关导通效率、电脉冲输出功率、THz辐射功率等关键性能指标。强光注入GaAs中，二次光子发射强度可与高功率激光脉冲相比拟，能够被再次吸收，并对输运产生显著影响。该过程受GaAs内瞬态光学特性支配。提出了瞬态光学特性与瞬态电学特性交互作用输运模式，将二次光子的发射和再吸收过程系统科学的纳入强场输运研究范畴。利用实验和数值方法，研究强电场偏置强光注入GaAs中的瞬态电学特性与瞬态光学特性交互作用机理,阐明非线性电输运与非线性光输运的相干性和相干条件。在理论研究基础上，建立新型光导开关动态激励实验系统，探索适当的光束扫描条件和开关结构，以期实现动态激励与非线性电输运之间的相干叠加，突破光激发电荷畴对传导电流的限制，大幅提高大间隙光电导开关导通效率；突破偏置电压对THz辐射功率的限制，在同等偏压下，提高THz辐射功率2倍以上。

光电导开关(Photoconductive Semiconductor Switches，简称PCSS)是超短脉冲激光器与光电导体相结合形成的一类新型开关器件，在超高速电子学和大功率脉冲产生与整形技术领域具有极大的发展潜力。半绝缘GaAs光电导开关具有一种奇特的非线性工作模式。在该模式下，开关能够持续导通并保持电场锁定，丝状电流扩展速度达到108-109cm/s，仅次于GaAs中的光速。进入非线性工作模式有一定的电场阈值和触发光能阈值条件。非线性模式的奇特输运模式引起的研究者长期的关注。本项目旨在深入研究GaAs光电导开关非线性输运模式机理，并期待再次基础上提高光电导开关性能指标，或形成新型器件。.1. 首先对半绝缘GaAs光电导体中光生载流子产生初期的非线性输运过程进行了理论研究和数值模拟。发现强偏置电场下GaAs内的光生载流子能够以电场屏蔽效应为基础形成逆向生长的耿氏偶极畴。逆向偶极畴能够与电场屏蔽效应相互叠加，引起速度过冲效应，并对GaAs中的THz辐射过程产生重要影响。我们进一步建立了逆向耿氏偶极畴理论模型来描述强场偏置下光生载流子的特殊成畴过程。.2. 在实验上发现半绝缘GaAs样品可以利用电学方法直接激励进入低场雪崩状态，并同时引起的电场锁定与持续导通。即在无光条件下实现低场雪崩，并保持持续导通，这与光电导开关的非线性模式极其相似。.3.利用纯电学激励进入低场雪崩状态，实现大功率高压电脉冲的产生。在实验中实现最高电压2.8kV，最大峰值电流80A，脉宽800ps-10us的高压电脉冲，其电压导通效率最高可达75%。利用多样品串联产生500V，440ns，330kHz高重频电脉冲。.总之，本项目在GaAs光电导开关非线性模式机理研究中取得了理论和实验上的突破性进展，首次从实验上证实了非线性工作模式锁定机理。在对半绝缘GaAs低场雪崩过程深入研究的基础上，实现了半绝缘GaAs的无光导通，可产生高功率，高重频超快电脉冲。