基于TiO_2纳米粒子薄膜的低阈值随机激光器的动力学研究

本文利用共轭聚合物(MEH-PPV)覆盖TiO_2纳米粒子薄膜制作随机激光器。随机TiO_2纳米粒子薄膜的激光辐射阈值比平面MEH-PPV薄膜的放大自发辐射阈值缩小了9倍。这是由于TiO_2纳米粒子诱导的多重散射造成的。进一步的飞秒荧光上转换实验表明,随机激光器中,光在增益介质里的停留时间有所增加,这直接证实了光在随机激光器结构中的多重散射引起光的传播路径增加。因此,这会促进更多的光发生辐射,从而降低随机激光器的阈值。     

染料掺杂聚合物薄膜中金纳米颗粒增强的随机激光

基于金属纳米结构而获得随机激光的增强,其独特的性质及其潜在的应用价值具有重要的研究意义,在表面增强荧光、光学开关器件、表面等离子激元激光等方面实现了较多应用。报道一种快捷有效的制备纳米颗粒的手段并基于该纳米颗粒结构分析了染料掺杂聚合物薄膜涂覆的随机激光现象和规律。利用离子溅射沉积和高温热处理在石英基底上制备了Au纳米颗粒,改变溅射时间Au纳米颗粒的尺寸发生可控变化,该方法便捷、工艺简单。研究采用40,80和120 s三种不同的时间进行Au膜溅射并在650 ℃下高温处理,得到粒径尺寸不同的Au纳米颗粒,随着溅射时间延长Au纳米颗粒的尺寸逐渐变大。通过涂覆有机荧光染料DCJTB掺杂的PMMA聚合物薄膜构建光致激射系统,利用纳秒脉冲激光对样品进行激发,得到随机激光并研究其出射光强度和阈值的变化规律特征。40,80和120 s三种溅射时间下所得Au纳米颗粒的平均粒径尺寸分别为230,250和390 nm,在532 nm激光激发下产生随机激光的阈值分别为20.5,17.5和12.5 μJ·pulse-1。Au纳米颗粒尺寸越大、粒子间距越小时,光子散射的平均自由程越短,光在金属颗粒之间可以多次有效散射,从而显著提高散射效率,产生较低阈值的激光发射;Au纳米颗粒的吸收峰与染料的荧光峰恰好匹配时,将会显著增强染料的荧光效应,激发更多染料分子发生能级跃迁,增加光子态密度,获得峰值更高、阈值更低的激射现象;泵浦光不破坏染料分子的情况下,可以多次循环泵浦获得激光,染料分子的发光效率随着多次激发略有降低,有助于随机激光器件的研究开发。实验研究结果与理论分析相一致,进一步明确了Au纳米颗粒对光子散射和等离子共振对光吸收增强的随机激光发射机理。该研究以Au纳米结构对光子的强散射效应为增益,通过理论分析和实验测量获得随机激光,为实现高效率、低阈值的随机激光研究提供了一种便捷的技术手段,有望促进随机激光器件的开发和应用。     

掺杂硅石纳米粉末的染料随机激光发射

针对染料随机激光器特性与应用研究,讨论了无序介质中荧光粒子和额外散射粒子的发光性质、浓度变化以及颗粒尺寸与随机激光发射阈值之间的关系。采用时域有限差分法直接求解Maxwell方程组及速率方程组的方法,模拟仿真出了相应的发射谱线及浓度变化与激光发射阈值的关系曲线。所设计的样品中Rh6G-SiO2的质量分数为4%,其阈值大小为8.5 J/pulse时,额外微小散射体TiO2的加入对该介质随机激光发射产生的影响很小,可忽略不计。在此基础上,通过进一步模拟分析了处于不同条件和背景下随机激光的阈值特性。     

基于多形貌银纳米颗粒的多波长相干随机激光研究

采用溶剂热法分别制备了球形银纳米颗粒和多形貌银纳米颗粒,其中球形银纳米颗粒具有400 nm的窄带等离激元共振峰,而多形貌银纳米颗粒的共振区间在400～700 nm之间,将它们分别掺入R6G与PVP的混合溶液中,利用旋涂法在玻璃基板上制备银纳米颗粒嵌入染料掺杂聚合物薄膜随机激光器。采用纳秒脉冲激光进行随机激光泵浦实验,实验结果表明球形银纳米颗粒染料掺杂聚合物薄膜只有自发辐射峰,而多形貌银纳米颗粒染料掺杂聚合物薄膜具有线宽<0.8 nm的相干随机激光发射光谱,其阈值为1.9 mJ·cm-2, 这可能是由于银纳米颗粒的等离激元共振区间与R6G的发射光谱重叠,支持局域等离激元效应的形成,明显的局域场增强有效地改善了与附近分子的相互作用,从而激发了更多的辐射光子,促进了高增益的形成。进一步,利用多形貌银纳米颗粒在银纳米颗粒染料掺杂聚合物薄膜中随机分布的特性,通过改变泵浦位置,实现了20 nm范围内的随机激光输出波长的调控,具体输出范围为590.1～610.4 nm。认为这是由于多形貌银纳米颗粒在不同位置的组成和分布不同,改变了表面等离激元的相互作用和光子的散射能力,从而形成不同的增益效应和不同的封闭光振荡路径。此外,考虑到多形貌银纳米颗粒的共振波长较宽,探究了其用于输出其他颜色光的可能性。以与上述银纳米颗粒R6G染料掺杂聚合物薄膜相似的制备方法,制备了多形貌银纳米颗粒掺杂DCJTB染料聚合物薄膜,并且进行随机激光泵浦实验。结果表明,可以有效的产生波长为675 nm,半高宽<0.8 nm的相干红光随机激光,并且阈值仅为0.98 mJ·cm-2。研究结果在宽带可调谐随机激光器研究以及多色随机激光器研究领域具有重要的参考价值。     

染料掺杂液晶填充毛细管的激光发射特性研究

本文提出利用染料掺杂液晶填充PI光控取向膜毛细管获得可调谐激光.采用532 nm YAG倍频脉冲激光器抽运,实验及理论研究了有聚酰亚胺(PI)取向膜和无PI取向膜毛细管的激光发射特性,对比分析了两种情形的激光产生阈值以及随温度变化的特性.结果表明:经PI光控取向处理的染料掺杂胆甾相液晶毛细管的激光发射模式具有分布反馈模式和回音壁模式,同时,激光产生阈值为4.5 m J·mm~(-2);发现当温度升高时,发射光谱发生"蓝移",中心波长调谐范围为5.9 nm,温度升高到43℃时,形成质量非常好的回音壁模式,其自由光谱范围为1.05 nm.经PI光控取向处理的染料掺杂向列相液晶激光发射模式为随机激光,并且较无PI取向时激光发射峰减少.     

金纳米颗粒的紫外、蓝紫光波段光致荧光特性

采用电化学方法制备出粒径在20～30 nm的悬浮胶体金纳米颗粒。研究了金纳米颗粒的荧光发射光谱特性。在377和459 nm观察到两个荧光发射峰,分别位于紫外和蓝紫光波段,对应的敏感激发波长为220 nm。减小激发光强度或降低金纳米颗粒的粒子数密度都会使377 nm处的荧光发射峰强度减弱。位于459 nm处的荧光发射峰对激发光强度和颗粒数密度变化更为敏感,并且在激发光强度降低到一定阈值或粒子数密度高于一定阈值后消失。随着激发光强度的增加,位于377和459 nm处的两发射峰强度逐渐靠近,其比值逼近于1。实验结果与随机分布介质的自组织散射式谐振腔理论符合得较好。这表明胶体金纳米颗粒中存在循环多重散射,并由此引发了蓝光及紫外波段的荧光增强,这在光存储和全色显示等方面具有潜在的应用前景。     

掺杂香豆素6的杂化纳米颗粒的制备及荧光性能研究(英文)

采用一种再沉淀-封装法制备了掺杂香豆素6(C6)的杂化荧光纳米颗粒,并通过SEM和DLS对其进行了形貌和粒径大小表征。在450 nm光激发下,制备的C6掺杂纳米颗粒表现出绿色荧光。通过比较光致发光光谱随掺杂浓度的变化,得出C6掺杂纳米颗粒的浓度猝灭是因为分子间能量转移而非C6分子聚集所致。另外,由于所选聚合物基质材料PS和PMMA分子结构的区别,导致PS-基质和PMMA-基质的纳米颗粒的光谱形状不同。C 6分子在PS-基质的纳米颗粒中处于两种不同的微环境,所以发射峰较宽;PMMA是线性分子,PMMA-基质的纳米颗粒中只存在一种局域环境,所以发射峰较窄。高的掺杂浓度会超过纳米颗粒对C6分子的负载能力,从而导致C6分子在水溶液中聚集。     

SiO2纳米颗粒对R6G-乙醇溶液荧光光谱影响

在3×10－4M和1×10－4M浓度的R6G-乙醇溶液中分别掺杂了8个不同浓度的SiO2纳米颗粒（107～1012 个/mL）.研究了SiO2纳米颗粒（100 nm）对若丹明6G（R6G）荧光光谱的影响,结果表明:n1～n4(1012～1010个/mL)浓度掺杂的SiO2纳米颗粒在549 nm处的有很好的荧光增强作用,对570 nm处的荧光峰有明显的粹灭作用|n5～n8(109~107个/mL)浓度掺杂的SiO2纳米颗粒在549 nm处没有明显的荧光增强作用,但对570 nm处的荧光峰有增强作用,荧光增强因子可达10%~20%.荧光增强与粹灭的原因在于纳米颗粒对荧光的散射作用和R6G无荧光H-型二聚体或荧光J-型二聚体的形成.     

用于液体激光介质的Nd~(3+)离子掺杂氟化镧纳米颗粒的制备与性能表征

设计并合成了掺杂不同Nd3+离子浓度的氟化镧纳米颗粒,并用油酸进行了表面修饰,使得这类纳米颗粒可分散于常见的有机溶剂中形成透明、均一、稳定的溶液。对纳米颗粒的结构、晶相以及发光性能进行了表征。固体和溶液材料在1 060 nm都有强的发射峰,说明纳米晶格可有效地保护Nd3+离子免受外界环境对发光的猝灭影响。纳米颗粒有机溶液的吸收损耗和散射损耗测试结果表明,其总损耗系数能够满足激光介质材料的损耗要求,为该材料的实用化打下了基础。     

表面活性剂对纳米制冷剂颗粒团聚的影响

为通过表面活性剂抑制纳米制冷剂中的颗粒团聚,需要了解不同种类和浓度的表面活性剂对纳米制冷剂颗粒团聚的影响。本文采用动态光散射技术测量纳米制冷剂中的颗粒尺度,来定量分析纳米制冷剂的颗粒团聚特性;实验所用纳米制冷剂为TiO_2-R141b;表面活性剂种类包括SDBS(阳离子型)、CTAB(阴离子型)和NP-10(非离子型)。实验结果表明,SDBS、CTAB和NP-10均可降低纳米制冷剂的颗粒尺度,即抑制纳米制冷剂中的颗粒团聚。对SBDS、CTAB和NP-10,当其浓度分别为400 mg·L~(-1)、200 mg·L~(-1)和300mg·L~(-1)时纳米制冷剂的颗粒尺度最小,最小值分别是未加表面活性剂时的58.4%、56.9%和38.0%。     

TiO_2掺杂粒度对纤维素强度和热稳定性影响的分子模拟研究

变压器绝缘纸的主要成分为纤维素,为了提升绝缘纸的强度和热稳定性,利用纳米TiO_2掺杂纤维素,通过分子模拟方法研究不同纳米TiO_2粒度掺杂纤维素的强度和热稳定性.研究表明,纳米TiO_2使得纤维素强度提高,拉伸模量增大,抗形变能力增强,体积模量与剪切模量比值(K/G)增大,纤维素韧性增强;纳米TiO_2表面羟基与纤维素形成新的氢键网络使得径向分布函数峰值增大,复合体系更加稳定,其热稳定性增强.掺杂比例相同时,随着纳米TiO_2粒度减小,拉伸模量和柯西压增大,泊松比减小,纤维素的抗形变能力增强;纳米TiO_2表面羟基占有率越高,纳米TiO_2与纤维素越易形成氢键抑制纤维素链运动,纳米TiO_2也减小复合体系的自由体积,使得复合体系结构更加稳定,热稳定性更强.因此,掺杂小纳米TiO_2粒度是提升纤维素强度和热稳定性有效的方法.     

Ag-Cu纳米颗粒修饰的N掺杂TiO_2纳米棒阵列及其高效光催化CO_2还原应用（英文）

本文采用微纳加工方法制备了负载高密度Ag-Cu纳米颗粒的N掺杂TiO_2纳米棒阵列样品.通过TiO_2的N掺杂,可将其吸光范围调控至与Ag纳米颗粒的等离激元吸收频率相匹配的波段,从而实现复合材料中肖特基结与共振能量转移过程的协同作用.与此同时,Cu纳米颗粒可以为CO_2还原提供活性位点.在全谱光照射下,复合样品光催化CO_2还原的活性显著提高,CH_4生成速率可达720     

Mg掺杂ZnO纳米晶的低温共沉淀法制备及光学性质

采用共沉淀(co-precipitation)法制备了Mg掺杂ZnO纳米晶,分别用X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、紫外可见吸收(UV-Vis)光谱、光致发光(PL)光谱、透射电镜(TEM)、电子顺磁共振(EPR)等分析手段对样品进行了表征。探究了Mg离子在ZnO纳米晶中的存在状态,ZnO纳米晶颗粒尺寸和发射光谱随Mg掺杂浓度的变化,并对其发光机理进行了分析。结果表明:Mg离子在ZnO晶格中以部分晶格位,部分间隙位的方式存在,没有形成MgO表面壳层结构;随Mg掺杂浓度的增大,ZnO纳米晶的颗粒尺寸变小,发射光的光强增大。发射光的最佳激发波长为342nm,中心波长为500nm,荧光量子产率为22.8%。实验分析表明:Mg离子的掺杂在ZnO纳米晶中引入了锌空位(VZn),间隙位的镁离子(IMg),提供了新的复合中心,从而增强了ZnO纳米晶的光致发光。     

基于透射式液晶/聚合物光栅的分布反馈式激光器的研究

本文研究了染料掺杂透射式液晶/聚合物光栅的制备以及基于透射式液晶/聚合物光栅的分布反馈式激光器的激光特性.实验选取DCM作为激光染料,制备了周期为586 nm的掺杂DCM的透射式液晶/聚合物光栅;使用532 nm输出的Nd ∶YAG倍频脉冲激光器作为抽运光源对染料掺杂液晶/聚合物光栅进行侧面抽运,得到了中心波长为603 nm的窄线宽、低阈值激光输出.激光线宽为1.4 nm、阈值能量约为17.3 μJ,与之前国外的报道相比,阈值能量有了很大幅度的降低. 关键词： 液晶/聚合物光栅 分布反馈式激光器 阈值 线宽     

偏磷酸盐掺杂对KDP晶体生长与光学性能的影响

研究了KDP晶体中散射颗粒形成的一种机理。掺杂微量偏磷酸盐即可使KDP晶体中出现散射颗粒，随着掺杂浓度提高，散射颗粒密度增大。散射颗粒形成的原因在于偏磷酸根具有PO4四面体端基，在晶体生长时容易被生长晶面吸附进入晶格。偏磷酸盐掺杂影响了晶体的光学性能，晶体的光损伤阈值也明显地爱到掺杂的影响。     

碳黑掺杂SiO_2气凝胶热辐射特性的蒙特卡罗计算

高温环境下纳米隔热材料内热辐射的影响显著增强,遮光剂的掺杂将不可或缺。为了研究遮光剂掺杂对纳米隔热材料热辐射特性的影响,本文发展蒙特卡罗数值方法(MCM)与Mie散射理论对碳黑遮光剂颗粒掺杂的SiO_2气凝胶热辐射特性进行了理论研究。研究结果表明:优化参数后的碳黑颗粒掺杂气凝胶可以有效阻隔辐射传热,并且提高材料的隔热性能。该方法对纳米隔热材料遮光剂的选取和优化具有指导意义。     

基于全息聚合物分散液晶的有机二维光子晶体激光器的研究

采用一次性曝光光路制备了基于全息聚合物分散液晶的亚微米周期染料掺杂二维光子晶体,晶格常数为582nm.选取4-(二氰亚甲基)-2-甲基-6-(4-二甲氨基苯乙烯基)-4H-吡喃作为激光染料,利用输出波长为532nm的Nd:YAG倍频脉冲激光器作为抽运光源对染料掺杂二维光子晶体进行抽运,得到了中心波长为627.4nm的窄线宽、低阈值的输出激光,激光线宽为0.4nm,阈值能量约为22.7 μJ.与目前国外的报道相比,激光线宽和阈值能量都有了很大幅度的降低.将其与基于一维光栅的分布反馈式激光器相比,线宽从1.4 关键词： 全息聚合物分散液晶 二维光子晶体激光器 带隙结构 阈值能量     

TiO_2/石墨烯/Ag复合结构SERS实验

基于氧化物半导体的光催化特性,能够降解有机物分子,使表面增强拉曼散射基底得以重复使用。提出了银纳米颗粒有效修饰覆盖有石墨烯的二氧化钛纳米棒阵列(TiO_2/石墨烯/Ag)复合结构作为表面增强拉曼散射基底,并对其进行了实验研究。利用水热法制备了二氧化钛纳米棒阵列;采用湿法转移石墨烯和光照还原方法制备了TiO_2/石墨烯/Ag复合结构。用罗丹明6G(R6G)分子作为探测分子,结果表明:随着紫外光照沉积时间增加,探针分子的拉曼信号先增强后减弱;计算得到最大增强因子值约为2.6×106。此外,还对TiO_2/石墨烯/Ag复合结构的紫外自清洁特性进行了初步实验,结果表明,紫外光照射20min后,其拉曼强度下降到42.3%,具有一定的紫外清洁效果。     

基于石墨烯的Au纳米颗粒增强染料随机激光

石墨烯和纳米颗粒的复合材料具有新颖的光学和电学特性,被广泛应用于信息传感、光电转换、医学诊断等领域,具有十分广阔的发展前景.虽然石墨烯拥有优异的光电性能,可以实现对随机激光性质的调控,但目前实现特殊结构的石墨烯与金属纳米结构的复合过程复杂繁琐,利用石墨烯有效降低随机激光阈值仍存在挑战.本文利用便捷的化学还原及吸附法制备Au/石墨烯结构,以染料DCJTB为增益介质,使用旋涂法制备了均匀的薄膜样品;研究对比Au纳米颗粒和Au/石墨烯结构随机激光特性,分析了石墨烯的作用机理.研究结果表明,Au/石墨烯复合材料透射峰与增益介质的光致发光光谱峰最为接近,对于染料分子的能级迁跃起到了促进作用.在相同的增益介质中,石墨烯的加入不仅使得光子在无序介质中散射频次增加,促进了增益效果,而且增强了Au纳米颗粒表面的等离子体共振效应.二者相互协同,展现出了优异的随机激光特性,阈值降低至2.8μJ/mm~2;对样品重复测量可得样品的激射重复性较强、品质较高.本研究对促进随机激光应用、实现高性能的光电器件起到了一定的推动作用.     

掺磷TiO_2优化TiO_2/MBA/Ag三明治结构的SERS性能

本文以磷酸为磷源,通过溶胶水热法制备磷掺杂TiO_2,利用Lee和Meisel的方法制备银溶胶,以4-巯基苯甲酸(MBA)为探针分子,通过构建TiO_2/MBA/Ag三明治结构,研究磷掺杂二氧化钛对该基底表面增强拉曼(SERS)性能的提升。通过TEM、XRD、XPS、DRS和拉曼光谱图表征二氧化钛的形貌结构、化学组成、光学和拉曼性能,结果表明,制备出的磷掺杂二氧化钛为锐钛矿型纳米颗粒,粒径范围6~12nm,XPS显示磷以P~(5+)替代了Ti~(4+),形成O-P-O键掺入TiO_2的晶格中,当磷的掺杂量在1.77%时,TiO_2/MBA/Ag三明治体系具有最佳的SERS信号,这是因为适量的磷掺杂降低了TiO_2的能带间隙,丰富TiO_2的表面态,这能促进TiO_2向MBA分子的电荷转移。