高速光学摄影是目前工业生产、科学研究中十分重要的探测和记录手段,在微观领域的研究中显得尤为重要。现今大多数前沿科学研究,如高能量密度物理研究、生物化学过程研究等,均对探测设备的时空分辨有较高的要求。为进一步提超快二维成像设备的性能指标,提出了全光分幅相机,在该系统中,核心关键便是其信号光响应模块,其中响应材料为本课题的研究重点。Ⅲ-Ⅴ族三元化合物铝镓砷半导体的制备工艺成熟,能带可调控,响应时间短,在全光固体分幅相机、全光固体条纹相机、全光调制器、全光开关等全光器件中得到广泛的应用。其中,铝镓砷(AlxGa1-xAs)材料的光折变效应是这些器件的物理基础,将直接影响这些器件关键指标的物理极限。全光固体分幅相机的物理时间分辨极限由响应材料A1xGa1-xAs的光折变时间决定,其响应灵敏度则由A1xGa1-xAs的光折变的折射率变化量决定。提高全光固体分幅相机的性能指标,需要对A1xGa1-xAs的光折变效应进行理论分析与实验研究,以此获得影响光折变效应的关键因素,分析哪些因素可以人为调控,从而更好地设计和制备响应材料。本文从理论模型与实验验证两个方面对A1xGa1-xAs材料的光折变效应进行研究。半导体光折变效应是指光激发半导体产生大量非平衡载流子,从而改变半导体的光吸收系数、折射率、反射率等光学性质的过程,该过程的持续时间将由非平衡载流子寿命决定,因此理论建模部分将分为两部分,折射率随载流子浓度变化规律和载流子浓度演化规律。实验部分,采用飞秒时间分辨的泵浦探测实验,对A1xGa1-xAs光折变效应的折射率变化过程进行记录。具体的研究内容如下:1、AlxGa1-xAs折射率与非平衡载流子浓度关系的计算。半导体在受到光激发后产生大量非平衡载流子,产生带填充、带隙重整、自由载流子吸收等物理机制,使半导体的能带发生改变,从而改变折射率等光学性质。本文基于A1xGa1-x-As的基本性质,计算折射率变化的相关参数,并以此计算:(1)给定非平衡载流子浓度时,不同波长探测光的折射率变化量;(2)相同波长下,折射率变化量与非平衡载流子浓度的关系。为选择实验光源,设计实验方案提供依据;2、AlxGa1-xAs非平衡载流子衰退过程的研究。半导体在受光激发后产生的非平衡载流子将通过复合过程进行衰退,这些复合过程包括直接复合、间接复合。本文着重讨论了直接复合与间接复合对载流子寿命的影响,分析间接复合的成因。人为设计了不同俘获截面的复合中心,给定不同的非平衡载流子的初始浓度,计算了:(1)相同复合中心浓度,不同俘获面积对应的非平衡载流子寿命;(2)俘获面积给定时,载流子寿命与复合中心浓度的关系。计算结果表明,当俘获面积和复合中心浓度较大时,非平衡载流子衰退过程由间接复合主导;3、AlxGa1-xAs材料制备与实验。采用分子束外延技术生长AlxGa1-xAs,经过高分辨X射线衍射仪监测,在生长温度较低时,AlxGa1-xAs具有较高的缺陷浓度。搭建泵浦探测平台,对AlxGa1-xAs进行实验,观察并记录了低温分子束外延法所制备的AlxGa1-xAs在泵浦光激发下的折射率演化过程。该研究结果揭示了化合物半导体AlxGa1-xAs的超快光折变效应的物理机理,以此为理论依据,制备了折射率变化时间小于5 ps的半导体响应材料Al0.3Ga0.77As。