本文将固浸透镜技术与双光子响应探测器的研究相结合,以近本征Si和半绝缘GaAs为材料,分别制作了半球形Si基（底面为（110）面）和GaAs基（底面为（001）面）双光子响应光电探测器。探测器采用金属—半导体—金属（MSM）结构。分析了入射线偏振光的偏振方向分别为[111]、[110]、[001]晶向时,Si和GaAs晶体的倍频吸收、双光子吸收、场致倍频效应的各向异性,在此基础上,对自行研制的半球形Si基和GaAs基光电探测器进行了双光子响应的实验研究。以1.3μm连续波固体激光器为光源,在入射光功率约为100mW和1V偏压的情况下,测得半球形Si探测器的双光子响应度达到了2μA/W以上。而在入射光功率约为100mW和25V偏压的情况下,测得半球形GaAs探测器的双光子响应度达到了2mA/W以上。在相同入射光功率和相同的偏置电压下,对同种材料的GaAs块状探测器和半球形探测器的响应度进行了比较研究,证明GaAs半球形光电探测器的双光子响应灵敏度提高了5倍。测量了半球形Si探测器光电流随入射光偏振方向的变化关系,实验数据很好地符合Si单晶双光子吸收理论,并且求出Si的两个独立的三阶非线性极化率张量元之比为0.42。测得的半球形GaAs探测器的光电流随入射光偏振方向的变化关系符合GaAs单晶倍频吸收理论,分析认为GaAs的远远大于暗电流并符合双光子响应的背景电流,是直流电场诱导的场致倍频吸收和GaAs禁带中由于EL2能级的存在而产生的两步单光子吸收所共同作用的结果。半球形Si探测器光电流随偏置电压的增加出现饱和现象,但是GaAs探测器光电流随偏置电压的增加而增加,并未出现饱和。通过以上对半球形GaAs和Si探测器的研究,得到的结论是:半球形GaAs双光子响应探测器的主要工作机制是倍频吸收,而在低偏压下半球形Si双光子响应光电探测器的主要物理机制是双光子吸收。此外,本文还探讨了研制以场致倍频吸收为主要工作机理的高灵敏度Si基双光子响应探测器的可行性。