金属超微粒子-半导体薄膜的光学瞬态响应

利用飞秒脉冲激光和泵浦 探测技术测量了金属超微粒子 半导体复合薄膜Ａｇ-ＢａＯ的瞬态光学透过率随延迟时间的变化曲线，观察到了薄膜对光的吸收漂白现象，并在不到２ｐｓ时间内恢复．该现象是薄膜中金属超微粒子内费密能级附近电子被飞秒激光脉冲激发，产生非平衡电子而经历瞬态弛豫造成的．弛豫主要包括非平衡电子越过超微粒子和周围介质的界面位垒进入周围介质，以及非平衡电子同晶格和界面的散射两种过程．超微粒子粒径的差别会引起非平衡电子弛豫时间的差别 关键词：     

Cu—Ba—O薄膜在超短激光脉冲作用下的光透射率特性

用泵浦－探测技术测量了金属－介质复合薄膜Ｃｕ－Ｂａ－Ｏ的光学透射率在超短激光脉冲作用下随延迟时间的瞬态变化曲线，获得了薄膜对光的透射率迅速减小并在皮秒时间内恢复原状的实验结果。该现象是由薄膜中金属超微粒子内费米能级附近电子被飞秒激光脉冲激发所产生的非平衡态电子经历瞬态弛豫造成的。本文从理论上给出了薄膜中Ｃｕ超微粒子的电子声子相互作用常数ｇ的修正数值。     

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     

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。     

飞秒激光脉冲作用熔石英的超快传热动力学研究

飞秒激光具有超短脉冲宽度、超高峰值功率的特点,飞秒激光与物质作用表现出的非线性吸收和低热扩散特性,使其在高精密微纳器件加工中有着重要的应用前景。建立了针对飞秒激光脉冲与熔石英作用的瞬态光电离以及非平衡传热的超快动力学模型。通过数值求解该模型获得了飞秒激光单脉冲作用熔石英的载流子密度和非平衡电子与声子温度的时空演化;得到了在非平衡态条件下,电声耦合时间随激光能量密度、脉冲宽度的近线性调控规律。进一步研究得到了瞬态电子热导、热容、电声耦合系数的变化规律,并对上述模拟现象进行了分析和探讨。     

基于飞秒瞬态反射/透射技术的纳米Au半透膜热效应研究

以飞秒激光放大器作为光源联合使用瞬态反射/透射实验技术研究了纳米Au半透明纳米薄膜中非平衡载能粒子的热传导过程. 在相同实验条件下, 发现该薄膜的瞬态透射和反射信号明显不同并且延迟时间在5.0–7.5 ps时瞬态透射信号的符号发生改变. 对纳米薄膜的透射和反射信号进行了对比分析, 分别使用双温模型和Crude近似进行数据模拟并拟合, 分析认为沿膜厚方向的温度梯度变化和界面热阻效应引起介电函数的变化不同, 从而引起了瞬态透射信号和反射信号的不同. 对于半透明金属纳米薄膜需要同时考虑其瞬态透射和反射影响才能得到准确的瞬态吸收结果. 随着抽运脉冲能量的增加, 可以看到上升时间约为1.0 ps, 电子-晶格弛豫时间增加.     

飞秒脉冲激光作用下金属薄膜的热弹性研究

利用双曲-双温两步热传导和热电子崩力模型,考虑到晶格温度与应变速率的耦合效应,得到了用于描述飞秒激光作用下金属薄膜热力效应的超快热弹性模型。以飞秒脉冲激光辐照金属铜薄膜为例,运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,对不同能量密度和脉冲宽度条件下薄膜体内温度场和应力场的变化规律进行了数值模拟,对比分析了电子晶格耦合系数对超快加热过程的影响。结果表明,飞秒脉冲激光辐照早期为明显的非平衡加热过程,电子温度迅速升高,而晶格温度的升高却相对较慢;激光辐照早期的热力耦合效应导致薄膜前表面附近的热应力表现为压应力,随着时间的推移,热应力由压应力转变为张应力,为激光加工和激光对抗提供了理论参考。     

时间分辨电子显微镜的可行性研究

文章从理论上分析了飞秒激光与金属阴极的相互作用过程．将飞秒激光与金属阴极产生的超短电子脉冲作为电子源，提出了一种具有时间分辨能力的电子显微镜(TREM)的概念设计．文章作者详细地研究了这种电子显微镜的可行性，并讨论了超短电子脉冲的传输和控制问题．     

飞秒激光脉冲与金属光阴极相互作用

本文从理论上分析了飞秒激光与光阴极相互作用过程，采用双温模型分析了飞秒激光脉冲辐照下金属薄膜的温度效应。通过建立一个简单的光电效应模型，获得了最佳的金属光阴极厚度，通过该模型可以发现，产生的光电流对在飞秒激光脉冲辐照下的电子温度和晶格温度有着很大的依赖关系。     

单次飞秒激光脉冲在玻璃内部产生多次微爆的研究

在入射能量不同的情况下，用近红外飞秒激光脉冲在重钡火石玻璃（ZBaF15）内部产生了色心和微爆，在熔融石英的内部产生了多次微爆现象.实验表明：入射能量较高时，色心的中间会产生微爆；在松聚焦条件下，一个飞秒激光脉冲在透明介质内会激发多次微爆.基于飞秒激光脉冲在透明介质内的自聚焦效应和自由电子等离子体的自散焦效应，理论分析了多次微爆产生的原因；也讨论了飞秒激光脉冲诱导玻璃折射率改变的机理.     

金属纳米薄膜微尺度热输运过程实验研究

本文应用飞秒激光泵浦-探测技术对金属纳米薄膜微尺度能量输运过程进行了研究.在此系统中,我们采用低能量密度泵浦光进行加热,测量了纳米金膜在一个脉宽为140fs的激光脉冲作用后,其非平衡电子温度在几个皮秒内随时间的变化.分别用一步抛物模型、两步抛物模型以及双相滞模型和实验结果进行了对比.结果表明,实验结果和两步抛物模型数值模拟结果吻合良好.     

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.     

飞秒脉冲激光烧蚀金膜的相变传热研究

采用双温度模型,对飞秒单脉冲激光照射下金膜的烧蚀过程进行了研究,通过界面能量平衡方程成核动力学方程和气体动力学定律对烧蚀过程中的固-液以及气-液界面进行了追踪。对考虑非傅里叶效应的双重双曲线两步(DHTS)模型和抛物线两步(PTS)模型的模拟结果进行了对比研究,并分析了激光和金属薄膜参数对烧蚀过程的影响。结果表明:对于飞秒激光烧蚀过程,DHTS模型的模拟结果比PTS模型的模拟结果更接近于实验数据,相同条件下DHTS模型得到的熔化以及烧蚀深度会明显高于PTS模型得到的结果;激光能量密度越大,激光脉冲宽度越小激光烧蚀的深度越深,而薄膜越厚烧蚀越弱。     

数值模拟飞秒激光加热金属的热电子发射

研究了超短超强激光脉冲与薄膜靶相互作用中产生的电子热发射.当超短激光脉冲与薄膜靶相互作用时,首先入射超短脉冲激光对吸收深度内的自由电子进行热激发,接下来热激发电子将能量传递到附近的晶格,再通过电子和晶格二体系的热传导,以及电子晶格间的热耦合,将能量传递到材料的内部.因此,电子在皮秒级甚至更短的时间内不能与晶格进行能量耦合,使电子温度超出晶格温度很多,电子热发射就变得非常明显了.用双温方程联合Richardson-Dushman方程的方法对飞秒脉冲激光照射金属靶的电子热发射进行了研究,结果发现电子热发射对飞     

超快激光的光电应用

超快激光一般是指脉冲宽度短于10ps的脉冲激光,主要指短皮秒和飞秒(10-15s)激光。这个时间尺度短于激发态电子向晶格弛豫能量的所需时长,使光与物质相互作用呈现了与通常光激发显著不同的特性,也促成了其崭新的光电应用。围绕飞秒激光与物质相互作用快(作用时间短)、强(瞬态功率高)、精(非线性使作用区体积小,用作加工分辨率高)的特点,开展了系列研究,包括飞秒激光超快光谱用于光/电-电/光转换动力学探索,激光诱导气体成丝用于近程遥感探测,及飞秒激光微纳加工用于新原理、新材料微纳集成器件的制备。介绍了相关研究的进展。     

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.     

量子阱中电子自旋注入及弛豫的飞秒光谱研究

采用飞秒脉冲的饱和吸收光谱方法研究了GaAs/AlGaAs多量子阱中电子自旋的注入和 弛豫特性，测得电子自旋极化弛豫时间为80±10ps.说明了电子自旋 轨道耦合相互作用引 起局域磁场的随机化，是导致电子的自旋极化弛豫的主要机理. 关键词： 自旋电子学 半导体量子阱 飞秒激光光谱 自旋 轨道耦合     

采用光谱展宽技术的钛宝石飞秒激光放大器

报道了飞秒激光啁啾脉冲放大器中的激光脉冲光谱展宽技术，实验中使用了几种光谱展宽元件，结果表明使用激光光谱展宽元件能有效地将飞秒激光脉冲 光谱展宽，抑制了飞秒激光放大器中常见的激光脉冲光谱增益窄化现象，从飞秒放大系统的振荡级输出28fs种子脉冲，放大后得到了重复频率为10Hz、峰值功率为1．6TW、脉冲宽度37．5fs的超短强飞秒激光脉冲 。     

超快脉冲激光辐照金属薄膜热-力效应的模拟研究

基于双曲双温两步热传导和热电子崩力模型,考虑到超快脉冲激光辐照金属薄膜材料过程中的热-力耦合效应,得到了完全耦合的、非线性的超快热弹性模型.运用具有人工粘性和自适应步长的有限差分算法,以脉宽为100 fs的脉冲激光辐照200 nm厚金膜为例,对薄膜体内的电子-晶格温度及温度梯度、热应力和电子热流进行了数值模拟研究.结果表明：脉冲辐照早期为明显的非平衡加热阶段,同时形成较大的热电子崩力;电子热流出现双峰现象;超快加热引起的热应力是导致薄膜力学损伤的主要原因.     

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.