多光子诱导光电导性的机制-《非线性光学与光子学》

在高强度脉冲激光辐射的作用下，半导体价带中的电子可以通过多光子吸收而被激发至导带，并同时在价带中产生出相应的空穴。被激发的电子可在导带内移动，而空穴可在价带内移动，两者在外加直流电场作用下都会对材料电导率的增加有所贡献。图15-9（a）为用来实现把电子从价带被激发至导带的3种可能方式：①同时吸收两个频率相同的入射光子（简并双光子吸收）；②同时吸收两个频率不同的光子（非简并双光子吸收）；③同时吸收3个相同的入射光子（简并三光子吸收）。在这些情况下，假定了任何单个入射光子能量均小于带隙能量（Eg），而同时吸收的多光子能量之和大于Eg。对同时吸收m个光子的过程来说，对入射光子的能量要求为

图15-9　在半导体内通过双光子与三光子吸收而激发的电子跃迁

（a）以及测量多光子诱导光电导性的实验装置（b）

用于测试多光子光电导特性的一种典型实验设置如图15-9（b）所示，它包括3个基本部分：①短或超短脉冲激光源；②半导体样品与测试电路；③适当的用于测量和记录电导率变化的系统。

半导体样品中由双光子吸收（2PA）引起的入射光强减少量为［参见式（14-43）］

式中，β为样品材料的2PA系数。实际上有I0βl0＜＜1成立，从而上式可简化为

因此由双光子激发引起的光电流变化量可表示为

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式中，e是电子电荷，S为样品被辐照的面积。

在通过三光子吸收进行激发的情况下，入射光强的减少量为［参见式（14-46）］

式中，γ为材料的三光子吸收（3PA）系数。在实际的三光子激发实验中，通常有＜＜1，从而有

由此，相应的光电流变化可写为

类似的，在更多个（m）光子激发作用下，诱导光电流变化量与入射激光光强应有以下的非线性关系式成立：

实际上，通过测量给定样品光电导变化作为入射光强的函数，就可确定对实验结果有主要贡献的多光子激发机制对应的m值。