高技术领域的一颗明殊——人工晶体

人们都赞赏宝石、水晶和金刚石等天然晶体晶莹透明、百姿多态、五光十色。但你若走进一个普通的人工晶体展室,将会发现人工晶体更加色彩斑斓。就拿装饰宝石来说,目前我国不但有用氧化铝为基质合成     

道可道，非常道——从准晶体到自我意识的硬难题

 两年前,当我听到2011 年诺贝尔化学奖的消息,晚上浮想联翩,竟至失眠。脑子里涌现出一大串看似关联,又非关联的故事：准晶体、王浩瓷砖、彭罗斯地板、图灵机、哥德尔定理、意识的硬难题……次日是周五,教课开会虽然很累,但还是迫不及待地漏夜写出。今天翻出草稿,整理一下细细讲来与大家分享。     

掺碳钛宝石晶体定向开裂的机理研究

采用下降法生长技术,沿a向[1120]生长的掺碳钛宝石晶体,在切割等加工过程中掺碳钛宝石晶体经常发生定向开裂的现象．本文对掺碳钛宝石晶体的定向开裂特征和机理进行了分析与研究,发现定向裂纹是在基质氧化铝晶格的（1100）面上发源,并且沿着f00011晶向即c轴方向扩展．采用晶体结构可视化软件（Crystalmaker）模拟得出,基质氧化铝晶格原子在（1100）面上的原子排列最为稀疏,并且在（1100）晶面上,垂直[0001]晶向相邻原子间距最大,在应力作用下晶格（1100）[0001]系统的开裂强度最低．采用光学显微镜、扫描电镜（SEM）和电子探针等仪器和手段,发现在开裂的掺碳钛宝石晶体中沉积了不规则的碳包裹物,降温过程中包裹物的热膨胀失配引起巨大的内应力,使得裂纹在晶体最薄弱的系统（1100）[0001]面上发源并扩展,导致晶体的宏观定向开裂．该研究对优质钛宝石晶体的生长具有重要的理论和现实意义．     

关于提拉红宝石晶体质量与生长参数的初步研究

红宝石单晶是激光技术中广泛应用的工作物质之一.随着激光技术的发展,对晶体质量的要求也越来越高.但是,由于红宝石的熔点高,熔体粘度大,对于生长优质的晶体,则又造成很大的困难.往往由于生长条件不够恰当,而使晶体含有大量的云层和气泡,甚至使宝石棒纵向失透,难以产生激光振荡,失去使用价值.为了提高红宝石晶体的质量,必须首先解决云层和大的气泡. 一、云层、气泡形成原因 在我们实验的早期阶段,经常出现云层,对它进行仔细地观察,发现其形状基本与固液界面形状相同,并且多在晶体突然增粗处形成.通过切片显微镜观察,这些云层主要由微细的气…     

不同宽度脉冲激光对白宝石损伤的结构特征

研究了白宝石（〈0001〉切割）晶体在800nm ns、ps和fs激光脉冲作用下的损伤形态.实验发现,在纳秒脉冲作用下,损伤外型与晶体的结构参量一致,呈“米”字形;在皮秒激光脉冲作用下,损伤外型呈“十”字形;而在飞秒激光脉冲作用下,损伤外形呈“一”字形;说明白宝石晶体结构损伤与应力作用下晶体缺陷的择优取向有关.     

激光及其相关学科的发展

 在物理学家汤斯、肖洛、卜洛赫洛夫和巴索夫等人研究工作的基础上,美国人梅曼于1960年研制出世界上第一台激光器(红宝石激光器).在梅曼获得成功之后的几个月内,又有好几种激光器研制成功,其中包括第一台连续波运转的激光器--氦氖激光器.以后,各种激光器竞相出现,呈现一派欣欣向荣的气象.在固体激光器方面,首先研制成功的红宝石激光器是以掺氧化铬的氧化铝晶体为工作物质的,激活离子为三价铬离子.1961年到1964年间,在一系列不同基质晶体中掺稀土元素(如钕、镨、铥、钬、铒、镱等)的激光相继运转.其中最为著名的是输出波长为1.06微米的掺钕钇铝石榴石激光器和掺钕的硅酸盐玻璃激光器,它们获得了广泛的应用.现已发现了好几十种激光晶体和激光玻璃,而激活离子除了大多数稀土元素外,还有过渡元素.由它们制成的激光器输出波长分布在紫外到近红外区内.     

激光自倍频晶体研究和应用进展

激光自倍频晶体是一类同时具有激光和非线性效应的复合功能晶体。以激光自倍频晶体制作的全固态激光器具有体积小,调整方便,稳定性高等优点。自1970年代以来,以LiNbO3,YAl3(BO3)4倍频晶体为基质的激光自倍频晶体实现了自倍频激光运转。近年来,以RECa4O(BO3)3(RECOB)为基质的激光自倍频晶体受到重视和广泛研究。本文从对激光晶体、非线性光学晶体及激光自倍频晶体的基本要求出发,在综述激光自倍频晶体研究历史的基础上,讨论了激光自倍频晶体中的基波和倍频光,探讨了NYAB和Nd:GdCOB一类晶体中晶体长度,Nd3+浓度和效率之间的关系。理论估算表明,当浓度适当,晶体长度10mm时,这两类晶体的光–光转换效率可达30%以上。本文总结了NYAB系列晶体的研究历程及RECOB系列激光自倍频研究的思路及取得的成果。在最近10年中,利用山东大学生长的Yb:YAB晶体,获得1.1 W自倍频绿光,光光转换效率为10%;在RECOB体系中,比较了各种晶体的特点,选定Nd:GdCOB为主要研究对象,经过晶体掺钕浓度和长度关系,位相匹配方向、膜系及热工程等多方面研究,获得了1.36 W的545 nm绿光输出,光–光转换效率为17.1%;输出功率为1.03 W时,半小时功率波动不超过1%。这是目前为止,Nd3+离子激光自倍频晶体的最好结果。文章最后介绍了激光自倍频晶体的可能应用。通过理论和实验分析,认为到目前为止Nd:GdCOB是以Nd3+为激活离子最后的激光自倍频晶体,而在Yb3+为激活离子时,Yb:YAB晶体最佳。     

二次曲面前房型有晶体眼人工晶体的球差矫正特性分析

为探究二次曲面前房型有晶体眼人工晶体的球差矫正特性,进行了球面和二次曲面有晶体眼人工晶体的设计,并利用像差理论对二者的球差矫正特性进行了研究.基于R.Navarro等人提出的模型眼得到屈光不正眼模型,利用ZEMAX光学软件分别设计了可矫正屈光不正人眼的球面与二次曲面前房型有晶体眼人工晶体.通过对光学传递函数和Zernike球差系数的比较,以及对Seidel球差分布系数的计算分析发现:在保证屈光不正矫正至正常水平的前提下,较之传统球面人工晶体,二次曲面的引入仅对远视眼的球差有矫正作用,并使光学传递函数显著改善|而对近视眼而言,二次曲面人工晶体的球差矫正效果与球面人工晶体相当.这一结论对前房型有晶体眼人工晶体的设计和应用具有重要的理论指导意义.     

非球面人工晶体设计及人眼瞳孔对其光学性能的影响

给出一种非球面人工晶体的设计方法。以Holladay角膜模型为基础,设定其球差大小为非球面人工晶体球差值,并在晶体位置发生移动及不同人眼瞳孔直径下,对所设计的非球面人工晶体光学性能与球面人工晶体进行对比分析。结果表明:当晶体植入人眼位置并且瞳孔直径相同时,设计的非球面人工晶体所在人眼光学系统的MTF,对比敏感度及离焦MTF的改善程度都明显优于传统的球面人工晶体,人眼成像质量均随人眼瞳孔直径的增大而下降;当晶体前移时,晶体所在人眼光学系统的MTF均随瞳孔直径的增大而下降,设计的非球面人工晶体仍表现出优于球面人工晶体的光学性能。     

二次曲面前房型有晶体眼人工晶体的球差矫正特性分析

为探究二次曲面前房型有晶体眼人工晶体的球差矫正特性,进行了球面和二次曲面有晶体眼人工晶体的设计,并利用像差理论对二者的球差矫正特性进行了研究.基于R.Navarro等人提出的模型眼得到屈光不正眼模型,利用ZEMAX光学软件分别设计了可矫正屈光不正人眼的球面与二次曲面前房型有晶体眼人工晶体.通过对光学传递函数和Zerni...     

用激光显微光谱法定量测量人工晶体红宝石中铬浓度分布

本文介绍了激光显微光谱分析法定量测量人工红宝石晶体中铬浓度(0.05%左右)的方法。将测量的结果与化学分析方法,发射光谱分析法的结果进行比较。并且对红宝石晶体中铬浓度的纵向分布进行微区定量分析。相对误差为7%左右。     

等离子体光子晶体的FDTD分析

等离子体光子晶体是等离子体和介质（真空）构成的人工周期性结构.用分段线性电流密度 递归卷积时域有限差分（PLCDRC-FDTD）算法分析了等离子体光子晶体和缺陷等离子体光子 晶体.从时域的角度分析了高斯脉冲在等离子体光子晶体中的传播过程，给出了时域反射和 透射波形.然后，从频域的角度分析了等离子体光子晶体和带缺陷的等离子体光子晶体的电 磁反射系数和透射系数.计算表明，等离子体光子晶体对频率小于等离子体频率的低频电磁 波几乎完全反射，而透射的电磁波则为频率高于等离子体频率的电磁波.在高频，等离子体 光子晶体则出现类似一般光子晶体的光子带隙特性. 关键词： 等离子体 光子晶体 时域有限差分法 等离子体光子晶体     

使用光栅单色仪测量红宝石晶体的吸收和发射光谱

使用WDS-8型光栅单色仪测量了室温下红宝石晶体的吸收光谱和发射光谱.通过该实验,学生在了解光致发光原理及光致发光材料光谱特性的同时,掌握单色仪的使用方法和技巧.     

钨酸锌激光晶体的光谱测量

用基质晶片作参比,测量了Cu+、Er3+等离子激活的钨酸锌晶体的光谱,并进行了分析讨论,发现激活离子与基质晶格之间存在能量传递过程.晶体在可见光区有比较强的荧光.     

飞秒激光诱导硒化锌晶体表面自组织生长纳米结构

 以250 kHz高重复频率钛宝石飞秒激光聚焦到硒化锌晶体表面,利用扫描电子显微镜观测飞秒激光辐照后晶体的表面结构。发现线偏振激光辐照的区域形成了自组织周期性纳米结构,其周期为160 nm左右,并且可以通过改变激光的偏振方向调节纳米光栅结构的取向;当晶体相对于激光光束以10 mm/s速度移动,经激光扫描后,在晶体表面形成了长程类布拉格光栅。当飞秒激光光束为圆偏振光时,辐照区域形成均匀的纳米颗粒。     

大直径聚苯乙烯小球自组织方法制备高质量opal晶体

通过改进样品池的结构和其他实验条件，用气压法制备了大直径聚苯乙烯小球（直径为1 μm和700 nm）的人造蛋白石（opal）样品，并测量了其能带特性.对于制备能带位置在红外波段的三维光子晶体，这一实验结果将有很广阔的用途. 关键词： 光子晶体 光子带隙 人造蛋白石（opal）     

多晶体级联钛宝石激光宽带三倍频

 用多块BBO晶体对钛宝石激光进行宽带三倍频, 比通常的两块晶体的方法效率上有所提高,实验研究了三倍频光的时间和空间特性,并从理论上分析了这种方法在激光带宽和效率等方面的优点,为ICF提高一种新的三倍频技术。     

人工欧泊填充InP后的形貌和反射谱特性

制备了人工opal晶体模板,运用MOCVD方法在SiO2人工opal球体间填充了高折射率的InP晶体,选择了MOCVD生长InP的有关参数.样品扫描电子显微镜及反射谱结果检测显示,InP晶体在二氧化硅间隙中的生长是均匀的,具有较好的结晶质量;高介电常数的InP的填充使人工欧泊光子晶体的光子禁带效应增强,反射峰移向长波长区.光学特性检测结果与理论计算值得到较好的符合.     

天然、合成红宝石的拉曼光谱分析

天然与合成宝石一直是宝石鉴定中的难题,而拉曼光谱的半高宽,即声子"寿命"可提供宝石是天然或合成的信息。论文利用BTR111-785微型近红外拉曼光谱仪对天然、合成红宝石进行测试分析,研究表明天然红宝石的半高宽均在10cm-1以上,合成红宝石的半高宽均低于10cm-1。     

V形高双折射光子晶体光纤特性研究

本文基于全矢量有限元法,设计了一种V形结构高双折射光子晶体光纤,数值分析结果表明:当光纤的包层孔间距Λ为1.0 μm,包层大空气孔D和小空气孔d分别为0.95 μm,0.7 μm时,在波长为1.55 μm处,该光纤的双折射度B达到1.225×10^-2,比传统光纤高约两个数量级. 另外,分别在可见光和近红外波段出现了两个零色散波长,使钛宝石飞秒激光器工作波段(700—980 nm) 处于光纤的反常色散区,为新颖的光子晶体 关键词： 光子晶体光纤 高双折射 有限元法 V形结构