飞秒脉冲激光辐照下硅表面光致荧光特性

采用钛宝石飞秒脉冲激光对单晶硅在空气中进行辐照,研究了硅表面在不同扫描速度和能量密度下的光致荧光特性。光致荧光谱（PL）测量表明,在样品没有退火处理的情况下,激光扫描区域观察到橙色荧光峰（603 nm）和红色荧光带（680 nm附近）。扫描电子显微镜（SEM）测量显示,在飞秒脉冲激光辐照硅样品的过程中硅表面沉积了大量的纳米颗粒。利用傅里叶变换红外光谱仪（FT-IR）检测到了低值氧化物SiOx（x＜2）的存在,并且结合能谱仪（EDS）检测结果发现氧元素在光致发光中起着重要作用。研究表明：603 nm处橙色荧光峰来自微构造硅表面低值氧化物SiOx,680 nm附近红色荧光带来自量子限制效应。同时样品表面硅纳米颗粒的尺寸和氧元素的浓度分别决定了红色荧光带和橙色荧光的强度,通过调节飞秒激光脉冲的扫描速度和能量密度,可以有效地控制样品的荧光强度。     

在CWCO_2激光作用下SiH_4的分解

研究了低浓度SiH_4在CW CO_2激光作用下的分解,对分解机理进行了分析.理论结果与实验较好地符合.     

氢化硅薄膜光吸收近似特性研究

利用等离子体化学气相沉积系统在直流电压源和射频源的双重激励下,以康宁7059玻璃为衬底制备了氢化硅薄膜．过测定氢化硅薄膜Raman光谱,对薄膜微结构进行了表征;建立氢化硅薄膜的光吸收模型,计算出薄膜的光吸收系数和光学带隙,和实验结果基本一致,说明该模型符合实验结果;并利用该模型计算的光吸收系数和光学带隙,结合AMPS软件对设计的太阳电池结构进行了模拟,给出的I-V特性曲线变化趋势与实验结果基本符合,同时对实验结果与模拟结果存在差异的原因进行了分析,并给出合理解释． 关键词： 氢化硅薄膜 光吸收系数 光吸收模型     

非均匀激光辐照下硅镜热变形对光束传输特性的影响

 使用有限元法计算了硅镜在DF化学激光器非稳腔输出的中空非均匀激光辐照下镜面温升和反射面面形随时间变化的特性,使用65阶Zernike多项式对镜面面形进行了曲面拟合,使用光线追迹的方法计算了平行光束经不同数量硅镜反射后的光束波前分布PV值、Strehl比和Zernike像差系数随时间变化的特性。计算结果表明：在典型的DF激光器输出的中空方形光束辐照下,硅反射镜的热变形将使反射光束产生波前畸变,波前畸变中,y方向像散项占据主要地位,其次是离焦项;随着激光系统中反射镜面数量的增加,高阶像差系数将逐渐增大,且波前PV值与反射次数成线性关系。     

高能激光辐照下光纤布拉格光栅响应特性

为探索光纤布拉格光栅在高能激光参数测量方面的应用,通过实验和数值模拟研究分析了其在高能激光辐照下的响应特性。通过解传热方程,获得了光纤布拉格光栅在高能激光辐照下的热响应特性。利用一个光纤光栅解调仪,记录了光纤布拉格光栅在高能激光辐照下的波长漂移现象。实验结果表明：在一定的功率密度范围内,光纤布拉格光栅的最大波长漂移与其所受的辐照功率密度成线性关系,该结果与理论模拟相符。     

飞秒激光辐照下硅薄膜的非傅里叶能量输运

当激光能量激励时间与能量载子的特征弛豫时间相当时，能量输运不再是建立在温度梯度基础上的扩散方式，宏观输运模型失去其成立的物理基础，需要用更严格的包含电声子相互作用的非傅里叶输运模型来描述。针对飞秒激光作用下100nm厚度硅薄膜内的微观能量输运过程，从弛豫时间近似下的电子Boltzmann输运方程出发（仅考虑电子间的弹性散射），结合电子和声子的能量守恒方程（包含电子和声子之间的能量耦合项），可以得到双曲双步输运方程：     

532 nm激光辐照下ZnSe薄膜光学特性研究

采用电子束热蒸发技术制备了ZnSe薄膜,研究了532 nm波长的不同能量(2.0 mJ、2.5 mJ、3.0 mJ)、不同脉冲数(3、10、15)激光诱导前后,ZnSe薄膜的透射率、折射率、消光系数、损伤阈值(LIDT)的变迁。研究结果显示,在能量为2.0 mJ激光辐照后,ZnSe薄膜折射率提高,透射率下降。相比较能量为2.5 mJ、3.0 mJ激光辐照,在能量为2.0 mJ激光辐照后折射率提高最明显,由2.489 4提高到2.501 6。薄膜损伤阈值从0.99 J/cm2提高到1.39 J/cm2(10脉冲辐照);薄膜的损伤经过了无损伤到严重损伤突变的损伤演变过程。采用原子力显微镜对预处理后薄膜表面粗糙度进行检测,发现激光预处理后的薄膜表面粗糙度Ra有所下降,从0.563 nm降低到0.490 nm(15脉冲激光辐照)。     

脉冲激光辐照下半导体材料表面的温度特性

本文分析了在纳秒与皮秒级脉冲激光辐照下的半导体材料表面温度上升的机理。研究了通过测量材料表面蒸发原子的飞行时间来确定热表面点阵温度的原理和试验方法,它对于研究激光束与半导体材料相互作用的机理是至关重要的。     

渗TiO_2高硅氧玻璃的光吸收性

本文研究了渗TiO_2高硅氧玻璃的结构与光吸收性。实验结果表明玻璃的光吸收决定于玻璃中的锐钛矿微晶,微晶增大、减小可使玻璃的光吸收限向长、短波方向移动。直径约80A的锐钛矿微晶就能显示出与大块晶体一样的光吸收限。     

ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值

以He-Ne激光作为参考光,采用反射光能量法,测量了ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值,并测量了不同功率密度的强激光辐照下探测器对参考光的反射率.实验结果表明,ns激光辐照硅光电探测器的损伤阈值为4.1×106W/cm2,在探测器被强激光损伤的初期阶段,探测器对参考光的反射率下降很快,继续增加入射激光的能量,探测器对参考光的反射率下降趋于平缓.     

超短脉冲激光辐照硅膜的热弹性

 考虑到热电子崩力的影响,在基于玻耳兹曼理论弛豫时间近似的非线性自相关模型基础上,将晶格温度与应变速率相耦合,建立了超短脉冲激光作用下半导体材料的超快热弹性模型。在单轴应变条件下,利用有限差分法模拟了500 fs脉冲激光作用下2 μm厚硅膜内的载流子温度、晶格温度、载流子数密度、热应力和热电子崩力等的变化情况。结果表明：在低能量密度激光条件下,热弹性效应对半导体材料的影响很小;载流子温度达到峰值的时间比激光强度达到峰值的时间早,随后载流子数密度达到峰值,以及激光脉冲作用5 ps以后硅膜趋于总体热平衡;在脉冲辐照早期,非热平衡阶段形成的热电子崩力在超快损伤过程中起主要作用。     

连续激光辐照下的TiO_2薄膜热传导性质

热传导规律的研究在激光诱导薄膜材料改性等应用中有着重要的作用,本文针对二氧化碳激光器辐照下的二氧化钛(TiO_2)薄膜表面的热效应进行了理论仿真和实验研究。首先,对具有粗糙上表面的TiO_2薄膜,利用有限元法构建了连续激光作用下的TiO_2薄膜的立体模型并得到了其三维温度场分布。然后使用CO_2激光器进行辐照实验,分析了辐照时间和功率等参数对TiO_2薄膜形貌、晶相以及颜色的影响。仿真表明,连续激光辐照下TiO_2薄膜的瞬态温度场呈高斯分布,且与激光功率、光斑半径、辐照时间等因素有关。当表面温度小于分解温度时,薄膜上表面最大平均温度与激光功率满足线性关系,与光斑半径满足ExpAssoc非线性关系。实验结果表明,激光辐照引起TiO_2薄膜材料表面粗糙度降低且颜色变化。激光功率过小或辐照时间过短会导致有效作用面积小且不均匀,反之会产生热形变。结合仿真和实验可知使用功率为6 W,半径为3 mm的连续激光辐照TiO_2薄膜10 s时取得的处理效果最优。     

飞秒激光辐照下硅薄膜的非傅里叶能量输运研究

 在双曲双步输运模型基础上建立数值模型,针对超短脉冲激光作用下硅薄膜的微观能量输运过程展开理论研究。针对电子、晶格超快温升响应过程的数值模拟结果表明,电子作为主要能量载子在几皮秒内主导了能量输运过程。电声子之间的能量耦合系数主要依赖于电子温度,而不是晶格温度。能量耦合过程由于非平衡电子的弹道式输运而呈现非局域性。热波的传播速度与电子能量传播速度有相同量级,而大于硅材料中的声子平均速度。模型预测与相关实验结果吻合。     

355 nm皮秒激光辐照下熔石英的损伤特性

利用光学元件激光损伤测试平台,测试了355 nm皮秒激光辐照下熔石英光学元件的初始损伤及损伤增长情况,并通过荧光检测分析了损伤区缺陷。研究结果表明:皮秒激光较高的峰值功率导致熔石英损伤阈值较低,前表面损伤阈值为3.98 J/cm2,后表面损伤阈值为2.91 J/cm2;前后表面损伤形貌存在较大差异,后表面比前表面损伤程度轻且伴随体内丝状损伤;随脉冲数的增加后表面损伤直径增长缓慢,损伤深度呈线性增长;皮秒激光的动态自聚焦和自散焦导致熔石英体内损伤存在细丝和炸裂点重复的现象;与纳秒激光损伤相比,损伤区缺陷发生明显改变。     

纳秒激光辐照下石英基单层石墨烯的损伤特性

采用化学气相沉积法在铜箔基底上生长单层石墨烯,利用湿化学方法将单层石墨烯转移到石英玻璃基底,获得石英基单层石墨烯样品。利用相衬显微镜和扫描电子显微镜,实验研究了单层石墨烯样品在紫外纳秒脉冲激光辐照下的损伤阈值和损伤概率,以及不同辐照通量下的典型微观结构。实验结果表明,单层石墨烯样品对550nm波长光的吸收率约为2.38%,与理论值2.3%接近。在波长为355nm、脉宽为5.8ns的条件下测得激光损伤阈值为78mJ/cm2。当辐照通量低于损伤阈值时,石墨烯样品表面有纳米碳球和碳花形成;当辐照通量等于损伤阈值时,石墨烯样品表面产生明显的多孔碳骨架烧蚀痕迹;当辐照通量高于损伤阈值时,则形成了特定的周期性折叠碳结构。     

355 nm皮秒激光辐照下熔石英的损伤特性

利用光学元件激光损伤测试平台,测试了355 nm皮秒激光辐照下熔石英光学元件的初始损伤及损伤增长情况,并通过荧光检测分析了损伤区缺陷。研究结果表明：皮秒激光较高的峰值功率导致熔石英损伤阈值较低,前表面损伤阈值为3.98 J/cm2,后表面损伤阈值为2.91 J/cm2;前后表面损伤形貌存在较大差异,后表面比前表面损伤程度轻且伴随体内丝状损伤;随脉冲数的增加后表面损伤直径增长缓慢,损伤深度呈线性增长;皮秒激光的动态自聚焦和自散焦导致熔石英体内损伤存在细丝和炸裂点重复的现象;与纳秒激光损伤相比,损伤区缺陷发生明显改变。     

飞秒脉冲激光辐照对硅发光性能的影响

利用飞秒脉冲激光对单晶硅进行辐照,研究了在不同环境(纯水和空气)和能量密度条件下激光刻蚀过后硅片的光致荧光特性.对于辐照后的硅片,利用了场发射扫描电子显微镜(FESEM)、能谱仪(EDS)、傅里叶红外光谱仪(FT-IR)、光致荧光光谱仪(PL)进行表征.结果显示:在空气中样品表面形成了条纹状微结构,纯水中硅片表面生成了尺寸更小的珊瑚状微结构;激光刻蚀后在硅片表面的生成物主要是SiOx(x2),在纯水中处理后硅片氧元素的含量接近是空气中的4倍;傅里叶变换红外透射谱中主要为Si—Si键(610 cm-1)和Si—O—Si键(1105 cm-1)的振动;在空气和纯水中激发出的荧光均为蓝光(420—470 nm),在各自最佳激发波长下,纯水中荧光强度比空气中强2到3倍,但是在可见光范围内荧光峰的位置和形状都基本没有发生变化.研究表明:氧元素在光致发光增强上起着重要作用,光致发光最主要是由形成的氧缺陷SiOx(x2)导致的,生成低值氧化物SiOx的多少决定了发光的强弱.     

辐照激光能量对SiO2薄膜特性及结构的影响

 为了认识SiO2薄膜在激光辐照下的变化,本文以K9玻璃为基底,采用电子束热蒸发方法制备了SiO2薄膜,并将此组在相同实验条件下制备的薄膜加以不同能量的激光辐照,研究在激光辐照前后样片的透射率、折射率、消光系数、膜厚、表面形貌及激光损伤阈值（LIDT）的变化。结果表明,样片膜厚随激光能量的增加而减小,辐照激光能改善薄膜表面形貌,并使样片LIDT值提高,最终能使样片的LIDT值从16.96 J/cm2提高至18.8 J/cm2。     

纳米硅薄膜光吸收谱的研究

用恒定光电导法测量了纳米硅(其晶粒尺寸为3-5nm,晶态成分比X_c为45％—50％)薄膜在0.9—2.5eV范围的光吸收谱。分析了在不同光子能量范围可能存在的对光电导作主要贡献的几种光跃迁过程,以及随着X_c的增加,材料由非晶、微晶转变为纳米硅薄膜时光吸收谱的变化。发现纳米硅晶粒之间的界面区(平均厚度约为1nm)中载流子的跃迁及传输过程对整个范围的光吸收谱起主导作用。联系纳米硅的这种特殊结构解释了有关实验结果。 关键词：     

脉冲激光辐照下VO_2薄膜温升的有限元分析

为掌握高功率脉冲激光防护中脉冲激光各参量对VO2薄膜温升的具体影响,采用有限元分析程序ANSYS的热分析模块分析了VO2薄膜在脉冲激光辐照下的温度场变化,分析讨论了CO2脉冲激光的光斑尺寸、功率密度、脉冲宽度、重复频率四个参量,对VO2薄膜达到相变温度的时间与相变区域尺寸的影响.结果表明,光斑尺寸等四个参量共同影响薄膜达到相变温度的时间,在一定范围内增大光斑尺寸和功率密度可缩短薄膜相变的时间,而薄膜相变区域尺寸所占光斑面积的比例与二者并无直接关系,增大脉宽或重频都有利于缩短薄膜达到相变的时间,但前者对单脉冲产生热量的提升比后者效果更明显.