飞秒脉冲激光加热金属薄膜的理论和实验研究

超短脉冲激光加热可应用于研究材料中载能子之间的超快相互作用,同时也广泛应用于超快激光加工.此前人们提出的双温度模型和抛物一步模型都只能用于描述超短脉冲激光加热金属薄膜后热量传递过程的特定片段.基于双温度模型和傅里叶导热定律,提出普适的理论模型可用于完整描述飞秒激光加热金属薄膜/基底时的整个热量传递过程.同时在300 K温度下,采用背面抽运-表面探测瞬态热反射法实验研究了飞秒脉冲激光加热金属薄膜的热量传递过程,理论预测曲线和实验测量结果符合较好,验证了理论模型的正确性.基于此模型测量得到了金薄膜的电子-声子 关键词： 飞秒脉冲激光 电子-声子耦合 界面热导 瞬态热反射     

双光路测量红外飞秒激光脉冲的载波包络相位稳定性

描述了利用双光路自参考技术测量红外飞秒脉冲载波包络相移的方法,并通过建立的红外飞秒脉冲载波包络相移测量装置,实验测量了自主搭建的可调谐光学参量放大系统输出的红外飞秒激光脉冲的载波包络相移.对于1.6 μm的激光脉冲,测量得到在100 s内其相位抖动为115 mrad（rms）.实验结果表明双光路法具有易于调节、测量方便、应用性强等优点. 关键词： 飞秒激光测量 自参考技术 双光路 载波包络相位     

铝纳米薄膜热导率的实验研究

金属纳米薄膜作为一种典型的纳米材料,已广泛应用于信息技术领域。研究表明,随着金属薄膜特征尺寸的减小,金属薄膜体现出与常规不同的热输运特性。本文采用飞秒激光泵浦-探测实验方法,结合抛物两步模型和修正的抛物两步模型,对铝纳米薄膜热导率进行研究。结果表明,考虑了声子热导率修正的抛物两步模型比抛物两步模型更能准确描述热反射信号。拟合得到铝膜热导率分别为98 W·m~(-1)·K~(-1)和94 W.m~(-1)·K~(-1),小于铝的体材料热导率,铝纳米薄膜热导率具有尺度效应,同时拟合得到声子热导率为2.8 W·m~(-1)·K~(-1),提出一种利用飞秒激光泵浦-探测测量声子热导率的方法。     

飞秒激光热反射系统测量金属薄膜中的热波

金属材料中的热波现象可以利用包含电子弛豫时间影响的双曲两步模型进行理论分析.通过飞秒激光热反射实验系统对金属薄膜材料进行了测量.利用偏振分光棱镜将飞秒激光分成抽运光和探测光,其中较强的抽运光用于加热金属薄膜而较弱的探测光用于探测薄膜表面反射率随时间的变化,两束光之间的光程差通过步进电机进行精确控制.利用金属薄膜反射率和电子温度的正比例关系就可以得到电子温度随时间的变化规律.实验发现在加热激光脉冲过后的电子温度下降区间会出现另一个较弱的电子温度波峰,并利用相同厚度的两块金属薄膜样品重复测量对实验结果进行了验证.理论上这一现象可以解释为金属薄膜中热波在背面反射的结果,并且实验结果和双曲两步模型给出的热波理论计算结果相符合.根据实验结果计算出热波传递速度约为5×105m/s,对应的电子弛豫时间为60fs.     

基于TDTR方法的碳化硅低温导热性能实验研究

低温条件下碳化硅等半导体材料热导率的实验研究极少,数据匮乏,无法满足理论模型的优化需求。现有实验测量以接触式的稳态法导热系数测量为主,实验误差大,且低温测量成本过高。本文通过常规飞秒激光抽运探测热反射法与低温系统的有机结合,完成了4~300 K低温条件下单晶碳化硅热导率的测试及其随温度的变化规律,研究表明单晶碳化硅热导率在100 K左右存在极大值,温度低于100 K时其热导率与温度呈正相关,温度高于100 K时其热导率与温度呈负相关。极值点的位置与理论值的偏差可能是由于样品电子浓度、缺陷分布等因素影响。     

飞秒激光加热金属薄膜反演问题的求解

飞秒激光加热金属薄膜时会在金属内部形成电子温度和晶格温度不平衡的热输运过程,此过程一般可以用抛物两步模型描述。飞秒激光抽运-探测技术可以对上述过程中金属表面的瞬时电子温度进行测量。通过上述实验结果结合抛物两步模型,反推金属微尺度热物性参数是一个反演问题。本文分析了此反演问题求解的可行性,并采用遗传算法对此反演问题进行了...     

自相关法测量飞秒激光双脉冲若干参量的研究

飞秒激光双脉冲在研究光泵浦的超快瞬态过程领域具有重要的应用价值,如何实现高准确度的飞秒激光双脉冲的实时测量显得尤为重要.本文提出了一种基于自相关法的飞秒激光双脉冲参量的测量方法,可实现对共光路传输、具有飞秒至皮秒级时间间隔的飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的实时测量.实验中采用自相关仪测得了双折射晶体(钒酸钇)分束出的飞秒激光双脉冲的自相关曲线,并用非线性拟合算法求得了飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比参量.实验结果表明,本文方法与互相关测量方法相比,克服了参考脉冲参量的不确定性对检测准确度的影响,使测量平均准确度提高了48%以上.     

自相关法测量飞秒激光双脉冲若干参量的研究EI北大核心CSCD

飞秒激光双脉冲在研究光泵浦的超快瞬态过程领域具有重要的应用价值,如何实现高准确度的飞秒激光双脉冲的实时测量显得尤为重要.本文提出了一种基于自相关法的飞秒激光双脉冲参量的测量方法,可实现对共光路传输、具有飞秒至皮秒级时间间隔的飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比的实时测量.实验中采用自相关仪测得了双折射晶体(钒酸钇)分束出的飞秒激光双脉冲的自相关曲线,并用非线性拟合算法求得了飞秒激光双脉冲的脉冲间隔、脉冲宽度和强度比参量.实验结果表明,本文方法与互相关测量方法相比,克服了参考脉冲参量的不确定性对检测准确度的影响,使测量平均准确度提高了48%以上.     

飞秒激光作用下全向高反膜破坏的激发过程

设计和制备了全向高反膜SiO₂/TiO₂，研究了它在不同脉冲宽度、不同脉冲能量的飞秒激光作用下的破坏阈值和烧蚀深度.利用发展的抽运-探针方法，研究了抽运脉冲作用下材料中导带电子的超快激发和能量沉积过程，建立并求解了飞秒激光激发材料和材料的激发对抽运光自身反作用的耦合动力学模型.模型较好地揭示了材料破坏的激发过程. 关键词： 飞秒激光 全向高反膜 激发过程 破坏机制     

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.     

包层氚增殖球床不同装载方案的有效热导率研究

针对聚变堆固态包层的产氚载体中锂陶瓷颗粒组成的氚增殖球床,建立了基于离散元-计算流体力学(DEM-CFD)方法的球床传热分析模型,进行了离散元(DEM)几何模型有效性验证、网格敏感性分析和计算流体力学(CFD)传热模型有效性验证。用该模型模拟计算了粒径分布球床、不同粒径的一元球床、二元球床的有效热导率,研究了相同填充率下,粒径分布、不同粒径及粒径混合对球床有效热导率的影响。研究结果表明,对于填充率相近的钛酸锂球床,粒径分布球床与一元等效粒径球床的有效热导率结果相差不大;在辐射换热可以忽略的情况下,粒径尺寸对一元球床有效热导率的影响可以忽略不计;二元混合钛酸锂球床相较于一元钛酸锂球床有更高的球床填充率和有效热导率。     

Thermal and mechanical properties and micro-mechanism of SiO2/epoxy nanodielectrics

In addition to electrical insulation properties, the thermal properties of nanodielectrics, such as glass transition temperature, thermal expansion coefficients, thermal conductivity, and mechanical properties, including Young's modulus, bulk modulus, and shear modulus, are also very important. This paper describes the molecular dynamics simulations of epoxy resin doped with SiO₂ nanoparticles and with SiO₂ nanoparticles that have been surface grafted with hexamethyldisilazane (HMDS) at 10% and 20% grafting rates. The results show that surface grafting can improve certain thermal and mechanical properties of the system. Our analysis indicates that the improved thermal performance occurs because the formation of thermal chains becomes easier after the surface grafting treatment. The improved mechanical properties originate from two causes. First, doping with SiO₂ nanoparticles inhibits the degree of movement of molecular chains in the system. Second, the surface grafting treatment weakens the molecular repulsion between SiO₂ and epoxy resin, and the van der Waals excluded region becomes thinner. Thus, the compatibility between SiO₂ nanoparticles and polymers is improved by the grafting treatment. The analysis method and conclusions in this paper provide guidance and reference for the future studies of the thermal and mechanical properties of nanodielectrics.     

基于稳态电热拉曼技术的碳纳米管纤维导热系数测量及传热研究

利用稳态电热拉曼技术测量了碳纳米管纤维对流换热环境下的导热系数. 该方法基于材料拉曼信号与温度之间的关系, 实时探测一维材料在不同电加热(内热源)下的中心点温度, 利用对流环境下的稳态导热模型推导出材料的导热系数, 实现了一维微纳材料热物性的无损化和非接触式测量. 实验发现: 碳纳米管纤维的导热系数远低于单根碳纳米管的导热系数, 但高于碳纳米管堆积床的导热系数. 这表明碳纳米管体材料的热物性主要取决于内部管束的列阵和管束间的接触热阻.     

Influence of embedded particles on microstructure, corrosion resistance and thermal conductivity of CuO/SiO2 and NiO/SiO2 nanocomposite coatings

Homogeneous CuO/SiO₂ and NiO/SiO₂ nanocomposite coatings containing CuO and NiO nanoparticles in silica matrix were successfully synthesized by sol–gel process on an aluminum alloy substrate, respectively. The evolution of phase and morphology of both nanocomposites was characterized by XRD, SEM, TEM and FTIR. The effect of incorporating various nanoparticles on the corrosion behavior and the thermal conductivity of nanocomposite coatings was investigated by potentiodynamic polarization curve and comparative exponential method. The thermal conductivity as well as the corrosion resistance of nanocomposite coatings was significantly improved by the introduction of metal oxide particles. In comparison with NiO/SiO₂ nanocomposite coatings, CuO/SiO₂ composite coatings displayed lower protective behavior as well as higher thermal conductivity. Experimental results revealed that those improvements can directly be related to the nanocomposite effect and the nature of added nanoparticles.     

鞍山式铁矿SiO2含量的热红外光谱分析方法

SiO₂含量是铁矿石质量控制的主要技术指标,亦是衡量铁矿石品质好坏的关键指标之一,对选矿方法、配矿流程的确定具有重要意义。传统的SiO₂含量测定法虽然准确度高,但工作量大,操作繁琐,花费时间长,难以快速、高效确定铁矿石中SiO₂含量。采用红外光谱辐射计Turbo FT对辽宁省鞍钢集团鞍千矿业有限责任公司的“鞍山式”铁矿样品进行热红外光谱测试,分析了光谱特征,构建了比值指数(RI)、差值指数(DI)和归一化指数(NDI),并确定光谱指数与样品SiO₂含量相关性最显著的敏感波段及对应的相关系数值;优选出与样品SiO₂含量相关性最显著的归一化指数(NDI),构建样品SiO₂含量的定量反演模型,并进行了验证。结果表明,三种光谱指数与样品SiO₂含量的敏感波段均位于余辉带特征(RF)的左边界8.06与8.2 μm处,相关系数均达到0.9以上,其中NDI与样品SiO₂含量的相关性最高;基于NDI构建了实验样品SiO₂含量的二次函数反演模型,预测误差为3.57%。该方法相对于传统的研磨化验法,具有工作强度小、便捷、快速、高效、无污染的优点,对遥感找矿也具有一定指导意义。     

快速热响应复合材料的储/放热性能分析

以膨胀石墨为无机支撑材料、石蜡为有机相变材料,制备出高导热系数和储热密度的快速热响应复合材料,并构建传热性能测试系统对该复合材料的储/放热性能进行研究分析。研究结果表明,复合材料不仅能在熔融状态下保持形状稳定,而且显著提高了在储/放热过程的传热性能,从而有效地解决了传统相变材料高储热密度和低导热系数之间的矛盾。     

Ce3+和Mn2+掺杂的Ba9(Y2-xScx)(SiO4)6光谱特性和温度特性研究

采用高温固相法制备了Ba₉(Y_2-xSc_x)(SiO₄)₆:Ce³⁺,Mn²⁺(x=0,0.5,1.0,1.5,2.0)样品。在该体系中,当Sc³⁺含量从x=0逐渐增加至x=2时,Ce³⁺的蓝光发射强度提高了1.7倍;同时,Mn²⁺的红光发射强度提高了1.9倍,显示了优良的红光特性。样品的发射光谱和漫反射光谱表明,Ce³⁺、Mn²⁺发射强度的增加与Ce³⁺吸收能力和Ce³⁺向Mn²⁺能量传递的提升有直接关系。研究了样品Ba₉Sc₂(SiO₄)₆:Ce³⁺,Mn²⁺的热稳定性。随着温度的升高,Mn²⁺的红光发射呈现先升后降的态势。当温度从室温升至488 K时,Mn²⁺发射强度仅下降至室温时的84%,表现出优良的热稳定性。高亮的红光发射和优良的热稳定性表明该荧光材料可为紫外基白光LED提供良好的红色光源。     

快重离子辐照对MoS2热导率的影响研究

利用0.97 GeV的209Bi离子辐照二硫化钼（MoS₂）晶体,辐照注量范围为1×1010～1×1012 ions/cm2,结合原子力显微镜（AFM）观测和Raman光谱分析研究了快重离子辐照对MoS₂热导率的影响。实验结果显示,快重离子辐照在MoS₂中产生了潜径迹,较高激光功率下的Raman测试使样品局部温度升高,导致E_1/2g和A_1g峰随注量增加向低波数方向移动,且峰形展宽。引入了通过改变激光功率测量Raman光谱得到MoS₂热导率的计算方法,获得了不同辐照注量下MoS₂的热导率的定量分析结果,随注量增加,热导率不断降低,从未辐照样品的563 W/mK下降到1×1012 ions/cm2辐照时的132 W/mK。Molybdenum disulphide (MoS₂) was irradiated by 0.97 GeV 209Bi ions with the fluence of 1×1010 to 1×1012 ions/cm2. The irradiation effect on the thermal conductivity of MoS₂ was analyzed by atomic force microscope (AFM) and Raman spectroscopy. The experimental results show that hillock-like latent tracks are observed on irradiated MoS₂ by AFM. The measurement of MoS₂ by Raman spectrometer with high laser power results in the increase of local temperature of MoS₂, which cause the downshift of peaks position and broadening of E_1/2g and A_1g peak. Furthermore, according to Raman spectra measured at different laser power, thermal conductivity of MoS₂ before and after irradiation was calculated, which show that the thermal conductivity of MoS₂ decreases with increasing fluence, from 563 to 132 W/mK for pristine and 1×1012 ions/cm2 irradiated MoS₂, respectively.     

考虑接触热阻的纳米颗粒堆积热导率的分析

本文首先使用Callaway热导率模型对SiO₂纳米颗粒的热导率进行了近似计算,然后耦合堆积纳米孔隙内的导热和辐射、颗粒接触热阻,基于颗粒堆积单元结构模型的一维传热分析,最终推导得到了颗粒堆积有效热导率关于颗粒直径和温度、堆积孔隙率、颗粒热导率、气相热导率、辐射传热和接触热阻的关系式,并用该式进行了相关讨论。研究结果表明,对于纳米颗粒堆积,界面接触热阻不容忽略;在低孔隙率和颗粒不参与辐射的条件下,由于受到接触热阻的影响,存在最佳孔隙率（或密度）使得堆积热导率存在最大值。     

Thermal conductivity of micro/nano-porous polymers: Prediction models and applications

Micro/nano-porous polymeric material is considered a unique industrial material due to its extremely low thermal conductivity, low density, and high surface area. Therefore, it is necessary to establish an accurate thermal conductivity prediction model suiting their applicable conditions and provide a theoretical basis for expanding their applications. In this work, the development of the calculation model of equivalent thermal conductivity of micro/nano-porous polymeric materials in recent years is summarized. Firstly, it reviews the process of establishing the overall equivalent thermal conductivity calculation model for micro/nanoporous polymers. Then, the predicted calculation models of thermal conductivity are introduced separately according to the conductive and radiative thermal conductivity models. In addition, the thermal conduction part is divided into the gaseous thermal conductivity model, solid thermal conductivity model and gas–solid coupling model. Finally, it is concluded that, compared with other porous materials, there are few studies on heat transfer of micro/ nanoporous polymers, especially on the particular heat transfer mechanisms such as scale effects at the micro/nanoscale. In particular, the following aspects of porous polymers still need to be further studied: micro scaled thermal radiation, heat transfer characteristics of particular morphologies at the nanoscales, heat transfer mechanism and impact factors of micro/nanoporous polymers. Such studies would provide a more accurate prediction of thermal conductivity and a broader application in energy conversion and storage systems.