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半导体系统的光学和电学性质强烈地受到外加的电场和磁场影响,在外加电场和磁场作用下表现出许多有趣的物理效应和现象,并在实际光电器件中得到了广泛应用。外加直流(或低频)电场及磁场的情形已经有了很深入的研究,但对外加太赫兹频率的高频电场及磁场情形的研究才开始不久。本论文主要理论研究了太赫兹频率电场与光场作用下的非对称半导体量子阱子带问极化动力学与光谱特性的变化,发现并解释了观察到的一些物理效应和现象。所进行的研究工作和取得的主要成果具体如下:
(1)基于密度矩阵理论,建立了外场作用下三能级非对称半导体量子阱的主方程,利用量子回归定理的一种数值实现技术,计算了强红外光场和太赫兹波辐照非对称量子阱的稳态探测吸收谱,分析了两束耦合场拉比频率的变化对吸收谱特性的影响。并通过量子阱内电子与外场相互作用系统的缀饰态图像对所观察到量了相干效应进行了图象清晰的解释。
(2)基于密度矩阵理论,建立了外场作用下半导体量子阱导带内电子分布函数和子带间极化所满足的运动方程,形成了子带间半导体布洛赫方程。利用所得到的子带间半导体布洛赫方程,分别计算了半导体量子阱在沿着量子阱生长方向和沿着量子阱平面方向偏振的太赫兹波作用下的光学吸收谱,讨论了太赫兹波的各种特性参数对光吸收谱的影响。研究表明,太赫兹波会极人地改变所研究的半导体量子阱的光学特性,会引起红外吸收的太赫兹边带、交流斯塔克(ac Stark)效应、太赫兹动态弗兰兹-凯尔迪什(dynamica Franz-Keldysh)效应、Autler-Townes分裂(Autler-Townes splitting)、吸收增益的陡峭转换等许多物理效应。这些新效应和现象不仅具有丰富的物理内涵,而且对于开发太赫兹频率的下一代新型光电器件(如电光调制器和波分复用器等)具有重要的应用潜力。
(3)研究了利用强红外光泵浦三能级阶梯非对称量子阱,实现一、三能级粒子数反转,从而引起三能级到二能级间的太赫兹频率的增益。利用子带间半导体布洛赫方程,计算了不同泵浦强度的红外光场作用下的太赫兹增益。讨论了红外光场泵浦强度足够强后会导致太赫兹增益饱和现象,研究结果对开发和设计基于量子阱子带间跃迁的太赫兹辐射器件具有理论指导意义。