壓力場中鍺光學性質(zhì)的第一性原理計算與實驗分析.pdf

1、鍺折射率在壓力下的變化是其他常見的半導體的4~6倍，作為良好的壓敏材料，可以將其應用在光纖傳感中。但是在入射光波長小于1850nm的吸收區(qū)內(nèi)鍺折射率的實驗數(shù)據(jù)及折射率隨壓力的變化情況未知。
　　論文使用第一性原理計算軟件的CASTEP模塊，建立了鍺晶體的3D模型并進行幾何優(yōu)化；計算了鍺的能帶結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)推導出介電函數(shù)、吸收系數(shù)和折射率等光學常數(shù)，對計算的結(jié)果進行了誤差分析。接著運用軟件設(shè)置環(huán)境壓力，理論研究了當外界壓力變化時

2、，鍺折射率的相應變化，得出了鍺折射率隨壓力變化的定量關(guān)系。在理論計算過程中，詳細分析并給出了相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，討論了Properties處K點數(shù)對最終計算結(jié)果準確性的影響，最終確定此處K點數(shù)設(shè)置為11*11*11。
　　為了獲得鍺折射率-壓力關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)，論文設(shè)計并定制了可用于光纖探針的特種液壓機。該液壓機以液壓油為介質(zhì)，能夠?qū)崿F(xiàn)在0~25MPa區(qū)間內(nèi)連續(xù)施加或卸載壓力。用于測試的壓力傳感器，在光纖端面上蒸鍍一層納米量級的半導體鍺

3、作為敏感探頭，構(gòu)成一種新型的光纖半導體壓力傳感器。當液壓機壓力發(fā)生變化時，光纖端面處鍺的折射率也會發(fā)生相應的變化。通過檢測端面的反射率便可建立反射率與外界壓力的對應關(guān)系，進而推導得到折射率-壓力的傳感模型。實驗結(jié)果表明，光纖端面所鍍鍺薄膜的厚度會對最終檢測結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。
　　論文通過第一性原理計算得到了鍺的光學常數(shù)及其隨外界壓力變化的定量關(guān)系；并通過實驗獲得了鍺折射率-壓力關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)。通過對理論計算和實驗測量結(jié)果的分析得