体块GaN中双光子吸收及非线性折射率的皮秒Z扫描研究

近年来，GaN 及其相关的 III 族氮化物由于在紫外、蓝光和绿光发光二极管以及注入激光器方面的应用前景而备受关注。然而，GaN 的许多基本物理参数仍然缺乏研究。

GaN 中的非线性光学过程，例如双光子吸收 (TPA)，会导致基于氮化物的光电子器件的光功率限制和光损伤。这些过程也可以应用于许多领域，例如光限幅器、光子开关和用于超快激光脉冲表征的非线性自相关系统。

迄今为止，在所有三阶光学非线性中，研究者最关注的是确定 GaN 中的 TPA 系数 b。该系数已通过 TPA 诱导的瞬态光电流、非线性电导率或光透射率自相关以及 Z 扫描技术进行了实验测定。测量得到的 b 值范围从 0.00635 cm/GW (参考文献 2) 到 17.5 cm/GW (参考文献 3) 不等。

需要指出的是，迄今为止，所有关于 GaN 光学非线性的实验研究都是在生长在蓝宝石（以其强光学非线性而闻名）衬底上的几微米厚的外延层上进行的，这严重限制了光学相互作用长度和测量的精度。此外，对所得数据的分析表明，当使用高脉冲重复率或相对较长的纳秒激光脉冲进行测量时，总是会得到较大的 b 值，这引发了关于热效应在这些实验中可能起到的作用的疑问。

在本研究中，我们描述了对体块 GaN 中非线性光学响应的测量，这些测量是通过使用低重复率皮秒激光脉冲和静态 Z 扫描技术进行的。我们从这些测量中评估了 TPA 系数 b 以及分别代表由 GaN 中的束缚和自由载流子引起的非线性折射率的参数 n2 和 sr，并进行了讨论。