超短脉冲激光在二维非均匀介质内的瞬态辐射传输

随着超短脉冲激光的快速发展,吸收散射性介质内的瞬态辐射传输引起了广泛的关注.本文采用最小二乘有限元法模拟了超短脉冲激光局部入射条件下,具有高散射核的二维非均匀介质内的瞬态辐射传输.研究了不同边界位置上反射和透射信号随时间的变化情况.结果表明,对于具有高散射核的非均匀介质,能够揭示散射核位置的双峰现象可能在早期的反射信号中发生,早期的反射信号比后期的、经过介质衰减后信号更重要.因此,在利用短脉冲激光进行光谱分析和成像等技术中,人们应该重视早期反射信号的测量.     

长寿命吸收过程对超快动力学过程测量的影响

使用飞秒时间分辨抽运-探测透射光谱技术,实验研究了GaAs体材料中光激发载流子的超快弛豫动力学的波长依赖.在相同的光激发载流子浓度和抽运/探测比时,发现760 nm和780 nm两中心波长处的瞬态透射变化延迟扫描信号出现负的和振荡的信号.与模拟计算结果对比,判定该实验瞬态信号是错误的.分析探测器输出波形,发现是由于反相波形导致的,而引起反相波形的原因在于样品中存在长寿命的吸收过程.指出通过提高探测器上的抽运/探测比能够矫正反相波形,从而获得正确的瞬态透射变化动力学.提高探测器上的抽运/探测比与目前的应尽量减小抽运光对探测器的散射贡献的观点是对立的.文章的研究结果对应用抽运-探测时间分辨光谱技术正确地测量超快瞬态动力学过程具有重要的参考价值. 关键词： 时间分辨抽运-探测透射光谱 饱和吸收 吸收增强 GaAs体材料     

抗反射膜SiN的热退火特性

本文研究了PECVD抗反射膜SiN的热退火特性。测量结果表明,经过制备GaAs透射光阴极的热压粘结工艺的热退火处理SiN薄膜的折射率增加了约0.1,薄膜厚度减少了约15%.IR透射谱分析表明,这是由于退火后膜中H的释放而引起化学键比例变化所致。此项工作为透射式GaAs光阴极抗反射膜的设计和制备提供了依据。     

在半导体-金属相变温度附近氧化钒薄膜光学性质的异常变动

在可见光—近红外波段的不同波长下,测量了半导体-金属相变过程中氧化钒薄膜样品的反射率和透射率.在薄膜相变过程中,不同波段的反射率曲线和透射率曲线表现出不同的变化趋势.利用非相干光在薄膜中的多级反射-透射模型,计算了相变过程中不同波长下氧化钒薄膜的折射率n和消光系数k随温度的变化.结果表明,在相变温度附近氧化钒薄膜光学性质的异常变动,其原因既有薄膜的折射率和消光系数随波长的变化趋势不同,也有在吸收性薄膜中存在探测光多次反射和透射的累加效应.     

Co膜中多次超快瞬态反射突变现象研究

飞秒激光泵浦瞬态热反射技术是研究金属薄膜超快动力学的有效手段,这种技术具有两大突出特点：首先,可以揭示飞秒激光激发的微观电、声子的传输过程是一个非平衡热输运过程。其次,反射率瞬态变化实验中电子运动的超短时间分辨可以用来研究热过程中电子的非平衡相互作用情况。利用磁控溅射真空镀膜技术,在玻璃衬底和硅衬底上蒸镀了不同厚度的Co单层膜,Cr,Co双层膜以及Ag,Co双层膜。利用飞秒激光瞬态反射技术研究了Co膜及其双层膜的瞬态反射率响应。结果表明,在同一厚度的Co膜样品上,施加不同的泵浦光功率时,Co膜内电子的加热时间与泵浦光功率的大小无关,均为0.1344 ps。而对于不同厚度的Co膜,电子的热化时间与薄膜厚度直接相关。此外,发现与以往研究结果不同的是,在泵浦光功率足够大时,玻璃衬底上的Co膜在飞秒激光脉冲泵浦下会出现两次或三次瞬态反射率下降现象,Co膜厚度决定了Co膜内瞬态反射率突变的次数,即Co膜内电子的超快动力学变化次数。     

含纳米硅和纳米锗的氧化硅薄膜光致发光的比较研究

分别以硅-二氧化硅和锗-二氧化硅复合靶作为溅射靶,采用磁控溅射技术在p型硅衬底上淀积了含纳米硅的氧化硅薄膜和含纳米锗的氧化硅薄膜.各样品分别在氮气氛中经过300至1100℃不同温度的退火处理.使用高分辨透射电子显微镜可以观察到经900和1100℃退火的含纳米硅的氧化硅薄膜中的纳米硅粒,和经900和1100℃退火的含纳米锗的氧化硅薄膜中的纳米锗粒.经过不同温度退火处理的含纳米硅的氧化硅和含纳米锗的氧化硅薄膜的光致发光谱均具有相似的峰型,且它们的发光峰位均位于580nm(2.1eV)附近.可以认为含纳米硅的氧化硅和含纳米锗的氧化硅薄膜的光发射主要来自于SiO₂层中发光中心上的复合发光,对实验结果进行了合理的解释     

棱镜-薄膜耦合结构中光束Goos-H(a)nchen位移的增强

棱镜-薄膜耦合结构是单侧镀电介质膜的双棱镜结构中的一种,在光信号传输方面具有十分重要的作用.利用稳态相位法分析了这种结构中反射和透射光束的Goos-Hanchen位移,研究结果表明,反射和透射光束的Goos-Hanchen位移随薄膜厚度或入射角的增大除出现共振峰外,还存在反射光束的Goos-Hanchen位移共振峰为负值的新现象.在共振点处透射和反射光束的正向或负向位移量最大可达百余波长.这一结构中薄膜和入射角.对光束Goos-Hanchen位移的调制在设计新型光位移调制和光传感器件中具有潜在的应用.     

功能光学纳米Ag薄膜的制备及其光学特性研究

对以热蒸发法制备的超薄Ag薄膜,扫描电子显微镜结果显示其呈纳米尺度的颗粒状,由透射谱测量发现其具有表面等离子体激元特征.检测到不同条件制备纳米Ag薄膜的表面等离子体共振吸收峰的位移规律,且纳米Ag材料具有选择性的透过、反射特性.通过不同的制备条件,得到了在长波范围内透过率超过90％、在表面等离子体共振峰值位置处反射率接近50％且峰位可调的光学薄膜材料.这种薄膜材料有望成为应用在薄膜太阳电池中间层中具有潜在性光管理功能的光学薄膜材料. 关键词： 热蒸发 纳米Ag薄膜 表面等离子体激元 光管理     

电化学方法制备ZnO纳米颗粒掺杂类金刚石薄膜及其场发射性能研究

采用液相电化学沉积技术制备了ZnO纳米颗粒掺杂的类金刚石(DLC)薄膜, 研究了ZnO纳米颗粒掺杂对DLC薄膜场发射性能的影响. 利用X射线光电子能谱、透射电子显微镜、Raman光谱以及原子力显微镜分别对薄膜的化学组成、 微观结构和表面形貌进行了表征. 结果表明: 薄膜中的ZnO纳米颗粒具有纤锌矿结构, 其含量随着电解液中Zn源的增加而增加. ZnO纳米颗粒掺杂增强了DLC薄膜的石墨化和表面粗糙度. 场发射测试表明, ZnO纳米颗粒掺杂能提高DLC薄膜的场发射性能, 其中Zn与Zn+C的原子比为10.3%的样品在外加电场强度为20.7 V/μm时电流密度达到了1 mA/cm². 薄膜场发射性能的提高归因于ZnO掺杂引起的表面粗糙度和DLC薄膜石墨化程度的增加.     

脉冲激光沉积Ag:BaTiO3纳米复合薄膜及其光学特性

在MgO(100)基片上利用脉冲激光沉积技术制备了掺有Ag纳米颗粒的BaTiO₃复合薄膜.通过X射线衍射对薄膜的结构进行了表征,利用透射电子显微镜对Ag纳米颗粒的尺寸、形态进行了观测,X射线光电子能谱结果表明Ag呈金属态.在410—500nm范围内观测到了Ag纳米颗粒引起的等离子振荡峰,随着后处理温度和Ag颗粒浓度的增加,吸收峰发生红移,并出现了双峰现象. 关键词： 金属纳米复合薄膜 激光沉积 光吸收     

硅纳米薄膜中声子弹道扩散导热的蒙特卡罗模拟

通过建立声子散射概率函数描述声子在输运过程中的散射,提出了一种模拟声子弹道扩散导热的蒙特卡罗方法,并将其应用于硅纳米薄膜中的稳态和瞬态弹道扩散导热过程的研究. 提出的蒙特卡罗方法对边界发射的声子束进行跟踪,根据散射概率函数模拟声子束在传播区域内经历的散射过程,并通过统计声子束的分布得到温度分布. 稳态导热过程的模拟发现,尺寸效应会引起边界温度跳跃,其值随着Knudsen数的增大而增大;计算的硅纳米薄膜的热导率随着厚度的增大而增大,与文献中的实验数据和理论模型相符. 通过瞬态导热过程的模拟得到了纳米薄膜内的温度分布随时间的变化,发现瞬态导热过程中的热波现象与空间尺度相关,材料尺寸越小,弹道输运越强,薄膜中的热波现象也越显著. 关键词： 纳米薄膜 弹道扩散导热 蒙特卡罗模拟 尺寸效应     

铂薄膜导热特性的分子动力学模拟

采用非平衡态分子动力学(NEMD)方法模拟分析了纳米铂(Pt)薄膜的导热性能与脉冲激光作用下的温度响应特性.结果表明,100～500 nm铂薄膜的法向导热系数比体材料值低很多,而且低于其面向导热系数;微米铂薄膜的温度响应时间在纳秒量级;在脉冲加热的初始阶段,有一快速非傅立叶热波沿铂薄膜的厚度方向传递.     

多晶碲化锌薄膜载能子超快动力学实验研究

利用双波长飞秒激光抽运-探测实验方法测量了掺氮多晶ZnTe薄膜在飞秒激光加热情况下载能子超快动力学过程. 采用包含电子弛豫过程和晶格加热过程的理论模型拟合实验数据, 二者符合得很好. 拟合得到10 ps以内影响掺氮多晶ZnTe薄膜表面超快反射率变化的三个弛豫过程的时间常数均为亚皮秒量级. 其中, 正振幅电子弛豫过程是由电子-光子相互作用引起的载流子扩散和带间载流子冷却过程, 负振幅电子弛豫过程是由缺陷造成的光激载能子的俘获效应引起的, 晶格加热过程主要通过电子-声子耦合过程进行的.     

Ultrafast dynamics of electron thermalization in gold

Time-resolved surface second-harmonic generation (SHG) is used to probe electron relaxation processes in gold following intense laser excitation at 1.55 eV. For the first time, an electron temperature ( T(e)) dependent enhancement in the SHG signal is clearly observed at T(e) above 0.7 eV, which is shown to relate to the thermalization of nonequilibrium hot electrons. Therefore, the relaxation dynamics of the transient nonequilibrium electrons in the high T(e) regime is directly resolved by monitoring the time evolution of the SHG signal.     

铜薄膜电子-声子耦合系数的实验研究

电子元件的超微型化和高集成化,对金属互连线的导热性能提出极高的要求;同时,新型高性能光电材料的开发,又需要尽可能降低受光激发电子与声子之间的耦合。电子、声子的相互作用,对于能量转换与传递过程微观机理的研究至关重要。这些载能粒子的作用时间都在飞秒-皮秒量级,本文采用飞秒激光瞬态热反射方法,对铜薄膜中微观粒子作用过程进行了飞秒量级的实验研究。通过对实验系统精细调节,得到了理想的信号曲线,在此基础上测量了不同泵浦光功率下沉积在硅基底上厚度为60 nm铜薄膜的电子-声子耦合系数,测量结果为(11～12)×10~(16)W/(m~3K),和理论值14×10~(16)W/(m~3K)较为接近,并且不随泵浦光强发生变化。     

Density response to short‐pulse excitation in gold

We investigate the dynamics of band occupation in gold after excitation with short laser pulses. Strong non‐equilibrium distributions can be created by intra‐ and inter‐band transitions driven by the absorption of photons with different wavelengths. First, we briefly discuss how photons can be used as a probe and how electrons with non‐Fermi distributions can be described. Then we focus on the relaxation stage where a temperature has been established but the occupation numbers in the different bands are not yet in equilibrium with this newly established elevated temperature. We describe the relaxation towards a system with a common chemical potential with rate equations that also include the energy transfer to the lattice or ions. Finally, we give an outlook on the optical response of the relaxing electron system to a probe pulse of radiation.     

Ultrafast solid–liquid–vapor phase change of a gold film induced by pico- to femtosecond lasers

Melting, vaporization and resolidification processes of thin gold film irradiated by a femtosecond pulse laser are studied numerically. The nonequilibrium heat transfer in electrons and lattice is described using a two-temperature model. The solid–liquid interfacial velocity, as well as elevated melting temperature and depressed solidification temperature, is obtained by considering the interfacial energy balance and nucleation dynamics. An iterative procedure based on energy balance and gas kinetics law to track the location of liquid–vapor interface is utilized to obtain the material removal by vaporization. The effect of surface heat loss by thermal radiation was discussed. The influences of laser fluence and duration on the evaporation process are studied. Results show that higher laser fluence and shorter laser pulse width lead to higher interfacial temperature, deeper melting and ablation depths.     

Ultrafast hopping dynamics of 5f electrons in the Mott insulator UO₂ studied by femtosecond pump-probe spectroscopy

We describe a femtosecond pump-probe study of ultrafast hopping dynamics of 5f electrons in the Mott insulator UO? following Mott-gap excitation at temperatures of 5-300 K. Hopping-induced response of the lattice and electrons is probed by transient reflectivity at mid- and above-gap photon energies, respectively. These measurements show an instantaneous hop, subsequent picosecond lattice deformation, followed by acoustic phonon emission and microsecond relaxation. Temperature-dependent studies indicate that the slow relaxation results from Hubbard excitons formed by U3?-U?? pairs.     

Size- and Temperature-Dependent Thermal Expansion Coefficient of a Nanofilm

The thermal expansion coefficient （TEC） of an ideal crystal is derived by using a method of Boltzmann statistics. The Morse potential energy function is adopted to show the dependence of the TEC on the temperature. By taking the effects of the surface relaxation and the surface energy into consideration, the dimensionless TEC of a nanofilm is derived. It is shown that with decreasing thickness, the TEC can increase or decrease, depending on the surface relaxation of the nanofilm.