全光固体条纹相机的理论及其静态实验研究.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．6(2014)060702全光固体条纹相机的理论及其静态实验研究冰梁玲亮)2)3)十田进寿)汪韬)李福利3)高贵龙)2)3)王俊锋)王超)卢裕)徐向晏)曹希斌)温文龙)辛丽伟)刘虎林)王兴)1)(中科院西安光学精密机械研究所，瞬态光学与光子学国家重点实验室，西安710119)2)(中国科学院大学，北京100039)3)(西安交通大学理学院物理系，西安710049)(2013年l0月11日收到；2013年11月18日收到修改稿)全光固体条纹相机采用空间调制抽运光激发平板波导光偏转器，通过精确控制抽运光

2、和信号光之间的时间延迟，实现对入射到波导芯层信号光的偏转扫描．它能有效解决传统变像管条纹相机因空间电荷效应造成的动态范围降低以及光电阴极材料在红外波段探测受限等问题，且结构简单，系统稳定性高，理论时间分辨率可达皮秒甚至亚皮秒量级．本文围绕全光固体条纹相机的核心部件～A1Ga1-xAs／GaAs／A1Ga1-xAs平板波导光偏转器，研究了在带填充效应、带隙收缩效应以及自由载流子吸收效应作用下GaAs折射率的变化情况；在GaAs折射率变化达到0．01量级，信号光束斑大小和波导宽度之比P：0．5时，得到系统的理论时间分辨率为2ps；按照静态实验条件求得的理论

3、空间分辨率为17lp／mm，实验结果显示其值为9lp／mm．关键词：全光固体条纹相机，光偏转器，空间分辨率，时间分辨率PACS：07．07．Hj，42．30．一d，02．60．一XDOI：10．7498／aps．63．060702红外波段探测受限的问题．以GaAs材料为例，它1引言对于0．8—25gm的光透射率在55％以上，还有包括InSb，CdS，CdTe在内的很多应用成熟的半导体变像管条纹相机[1-3]作为高时空分辨率的超材料在红外波段都有很好的透过率，均可用于红外快现象线性诊断工具，在时间分辨的超快现象研究信号光探测的扫描偏转器材料．且全光固体条

4、纹相中发挥着难以替代的作用．它主要基于光电转换和机就其结构本身而言也有着变像管条纹相机不具电子束偏转扫描机制，因而空间电荷效应成为制约备的优点：一方面，全光固体条纹相机工作介质均变像管条纹相机性能进一步提升的一个重要因素，为固体材料，可靠性高；另一方面，它无需在真空条使其很难同时具备大动态范围和高时间分辨率．基件下工作，系统的稳定性好体积也要小很多．于直接对光束偏转的机制[4-8】，全光固体条纹相机传统超快光信号测量技术主要有相关测量彻底消除了变像管条纹相机中的空间电荷效应，使法[7-1o】、高速光示波器[11]，以及变像管条纹相机有可能获得同时具备高

5、时间分辨率和大动态范围等．其中，相关测量技术目前可以获得的最高时间的条纹相机装置．另外，全光固体条纹相机的核心分辨可以达到fs量级，但其可探测信号波段范围却部件一光偏转扫描器的材料选择范围大，可以根受到非线性介质材料在某些波段下极化率不高的据探测信号的波段选择合适的材料，这可以有效解影响，记录时长也仅有几个ps；变像管条纹相机的决变像管条纹相机因为光电阴极材料的限制而在理论极限时间分辨率为10fS，但当其时间分辨率达国家自然科学基金(批准号：11274377，61176006)和财政部重大科研装备仪器项目(高性能条纹相机的研制)资助的课题t通讯作者．E

6、—mail：lianglingliang@opt．cn@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyttp：／／wulixb．iphy．ac．ca060702—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．6(2014)060702扫描后在记录系统上将依时间先后出现由左至右折射率，A为光波长；m，mh为电子、空穴的有效排列的空间条纹图像，从而完成信号光从时域分布质量．向空间分布的转化．由于信号光脉冲前后各部分经图2为非平衡载流子浓度为1×10cm一0时，历的棱镜数目与其前后时间成线性关系，则信号光带填充效应、带隙收缩效应和

7、自由载流子吸收效脉冲前后各部分的空间偏转量就与其前后时间成应分别对折射率变化的影响，以及三者综合作用正比可见这种时间域到空间域的转化是线性的．下的结果．若抽运光波长为800nm、光子能量为1．55eV，由图可知，在光子能量为1．55eV时，三种2．2全光固体条纹相机的偏转扫描器效应综合下折射率变化的值为负，带填充效应占主导作用；设信号光波长为1053Ilmf光子能量为光偏转扫描器采用A1Ga1-xAs／GaAs／A11．12eV1则由于自由载流子吸收效应，会对材料的Ga】一As平板波导结构，X代表Al原子的组分．调折射率造成一定影响；当载流子浓度很高时

8、，自由节Al的组分可以改变折射率形成光波导，实现对载流子吸收效应不可忽略．自由载流子吸收效应会