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因为在信息的存储、处理和传输领域的巨大应用前景，自旋电子学在近年来受到学术界和工业界的强烈关注。实现自旋电子学器件的一个关键因素是，找到具有长自旋寿命和长自旋输运距离的半导体材料，因此有必要深入理解半导体中的自旋弛豫机制和自旋转移/输运机制。本论文主要采用时间分辨Faraday/Kerr旋转(TRFR/TRKR)测量，探测GaAs基半导体中载流子自旋随时间演化的动力学过程，研究其中的自旋弛豫机制和自旋相干转移/输运机制。
本论文分为八章，
第一章介绍自旋电子学产生的背景和发展现状。
第二章介绍与本论文的实验内容密切相关的自旋光注入、探测和自旋弛豫机制方面的基本概念和基本理论。
第三章介绍了时间分辨Faraday/Kerr测量系统及相关的实验配置和基本测量理论。在简并时间分辨Faraday/Kerr旋转测量系统的基础上，我们使用单个飞秒激光器和非线性光子晶体光纤搭建了一套二色时间分辨Faraday/Kerr旋转测量系统。使用光学互关联测量了通过非线性光子晶体光纤得到的第二束脉冲光的脉宽。
在第四章中，我们使用简并TRKR测量系统，研究了低浓度、高迁移率二维电子气中电子自旋的弛豫机制，证实了低温下库仑散射对电子自旋弛豫有着重要贡献。我们发现随着温度的升高，电子自旋退相干时间在14 K左右存在3.12 ns的峰值，这一峰值叠加在随温度升高的电子自旋寿命背景上(从1.5 K时的1.03 ns升高到30 K时的2.67 ns)。这一峰值的出现验证了电子-电子间库仑散射可以影响电子自旋的弛豫过程。我们还观察到，在固定时间延迟的Kerr信号随激发能量的变化曲线上，Kerr信号在GaAs带边附近及带边以下存在多个共振峰/谷，这应该来源于二维电子气的各个子能级上劈裂的轻重空穴激子的共振吸收，表现为共振峰/谷的激发能量随磁场的二次方增加；而带边重整化效应和激子结合能的作用导致了主要的共振峰/谷的共振能级低于GaAs带边的能量。各个共振峰/谷处的TRKR曲线都存在拍频现象，即存在两个或三个进动频率(g因子)，但存在一个一致的来源于二维电子气的g因子；各个能级处的电子自旋寿命差别很大，从几百ps到十儿ns不等，没有表现出明显的规律性变化。
在第五章中，我们使用二色TRKR测量，研究了InGaAs/GaAs量子阱结构中电子自旋的相干转移过程。我们发现，注入到GaAs势垒中的自旋极化电子在转移到InGaAs势阱中的过程中，保持了自旋进动相位的相干性。基于速率方程和Bloch-Torry方程，我们提出了一个模型来定量描述电子自旋的相干转移过程。使用这个模型，得到从GaAs势垒到InGaAs势阱中的有效自旋积累时间是21 ps。
在第六章中，我们首先使用简并TRKR测量，研究了共振激发下单层(1ML InAs)层和1/3单层(1/3 ML)InAs层中电子自旋的退相干过程随外加磁场、激发功率和温度的依赖关系；其次使用二色TRKR测量，研究了GaAs/InAs薄层/GaAs三明治结构中电子自旋的相干转移过程。发现1 ML InAs中电子的自旋寿命随磁场的增加而变长，这来源于磁场对自旋轨道耦合作用的抑制；电子自旋寿命随激发功率的增加而变长，且电子的g因子随激发功率的增加而减小，这可以归结为多电子间相互作用Hartree-Fock项下电子自旋极化密度的增加；电子的自旋寿命随温度的升高而变长，这来源于DP机制下k波矢相关的线性项(Rashba项)。在1/3 ML InAs层中，没有1 ML InAs层中这些特殊的现象，说明1/3 ML InAs层不具有1 ML InAs层那样的二维性质。使用二色TRKR测量，发现在GaAs层中注入的自旋极化电子维持相位的相干性转移/输运到InAs薄层中去，二色激发时的电子自旋寿命均长于共振激发时的电子自旋寿命，且在1/3 ML InAs层中比在1 ML InAs层中的效应更明显。
第七章研究了稀磁半导体GaMnAs中载流子自旋的退相干过程。发现在稀磁半导体GaMnAs中存在长的空穴自旋记忆，空穴的自旋退相位时间反比于外加横向磁场，这来源于局域空穴系综展宽的g因子。此外，在居里温度以下和以上，空穴的Larmor进动频率，即空穴的巨塞曼劈裂，都具有对磁场的超线性依赖关系。空穴的有效g因子在高磁场下(＞4 T)随磁场增加而线性增大，说明在GaMnAs中观察到的空穴巨塞曼劈裂包含磁场二次方的贡献，这可能来源于局域激子的塞曼劈裂。
最后一章是结论。