Ch17超快声子学

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1、第十七草超快声子学17.1飞秒光脉冲产生超声波脉冲超声波一般是由压电换能器产生的机械波，由射频驱动。作为声光调制器，它可以用來调制光束，作为调Q和锁模的工具。而用飞秒光脉冲来产生超声波则是光脉冲与物质相互作用的复杂性。假定一个飞秒光脉冲，其能量密度低于产生等离子体以及其他不可逆过程的阈值，入射到介质上，被介质吸收，这里有两个效应可以在介质中引发超声波脉冲⑴：1如果脉冲被半导体所吸收，就会在半导体表面的很薄的层中激发高密度电子•空穴对。这些电子•空穴对儿局部改变了有效势能。而有效势能决定了晶格中的原子的排列。由

2、此产生了一个张力（应力），a=n（dVg/drj）,其中zz是被激发的载流子浓度,dVg/d77是变形势能。2电子被激发到禁带以上，主要是通过电子和声子相互作用，与晶格碰撞而释放其他能量的。自然被激发的部分的温度就会上升，产生弹性张力。张力的大小与所吸收的能量及材料的热膨胀系数有关。更详细的分析需•要考虑载流子通过电子和声子相互作用时可能发牛的扩散。这个扩散扩大了激发区域。O7«、蛊t=0厂o0d从表面算起的距离从表面算起的距离图17.1.1吸收的光脉冲产生的应力脉冲（声子）的传播⑴。图17.1.1是一个简单

3、的声子脉冲产生的模型。当/二0时，被激发的半导体薄膜从表面开始沿深度方向产生一个随所吸收的脉冲能量密度变化的张力分布。这个张力分布就是张力波的源。这时，人们关心的是直接传播入样品的声波，它是纵向极化的声波：原子振动的方向与声波的传播方向一致。脉冲宽度小于Ips的泵浦脉冲入射到不透明的薄膜表面，入射点直径通常为几个pm,入射深度大约为20nmy张力波从表面向深度方向传播，遇到与衬底的交界面后反射，反射波位相发生龙突变，从而改变了/=〃/%时张力脉冲的形状。根据这个模型，如果张力波脉冲在吸收光脉冲的过程中传播的深

4、度z“小于光脉冲的宽度,Tp

5、的例子，泵浦脉冲激发一个声脉冲，这个脉冲遇到界面后反射回來，在薄膜中来回振荡并衰减。这个振荡对以用一个时间延迟探测脉冲检测岀來，如图中的两个回声峰对应着空气与半导体，半导体薄膜与衬底两个界面。利用这个性质，可以监测半导体生长过程屮膜的厚度。3.薄膜衬底超声波脉冲表面反射的超声波脈冲4.图17.1.2光脉冲的吸收产生张力波脉冲。1•入射超短光脉冲激发表面声波；2•声波脉冲向薄膜内传播；3.声波脉冲遇到界面发生发射；4•反射后的脉冲回到表面，被探测脉冲接收［铁偏振旋转45度后的探测脉冲NPBS物镜样品探测光脉冲泵

6、浦光脉冲泵浦光电探测器图17.1.3泵浦一探测声波的装置。采用Sagnac干涉仪的优点是其不但可以测量反射脉冲的振幅，还可以测量其相位。常釆用图17.1.3所示的光学干涉仪一Sagnac干涉仪来探测脉冲检测表面的膨胀和应变⑵。此技术就是泵浦一探测技术。它可以探测强度以及相位变化采用脉宽小于Ips的超短光脉冲产生和探测在固体中产生的极短声波。声波在薄膜内冋荡时会产生冋声，通过测量冋声的间隔就可以推测薄膜的厚度。声波的产生依赖于许多机制，通过研究声波的频率可以了解固体内部离子被激发中的基本相互作用过程如电子一电子

7、和电子一晶格的耦合。此技术不仅可以研究金属如金、線、路等，同样也适用于半导体材料如GaAs、量子阱结构，而在量子阱结构中产生的声波频率可以达到THz。其实，已经在半导体工业屮应用的光声脉冲技术是监测5〜20pm厚的金属薄膜厚度。这个技术被称为皮秒超声激光声纳，简称PULSE(PicosecondUltrasonicLaserSonar)0在半导体芯片例如调制解调器或存储器的制造过程中，需要蒸镀并同时监控5层以上的金属膜，这些金属膜在调制解调器或存储器中起着导线的作用，联结着1千万以上个晶体管以构成超大规模集成

8、电路。由于金属膜不透光，无法用光的方法来监测.皮秒超声激光声纳技术就有了大显身手的机会。把100飞秒的光脉冲在金属膜或多层膜上聚焦成10

9、ini直径的光斑，使得局部表面温度升高5〜10摄氏度。快速温升导致的快速热膨胀产生了一个声脉冲。这个声脉冲离开表面向薄膜内部传播，遇到界面后一部分反射回来作为回声，其余部分继续向下传播。当回声返冋到表面时，它改变了表面的反射率或者位相。这个变化可以被第二个脉冲探测