磁性材料超快动力学研究与飞秒抽运探测技术

阐述了磁性材料的重要性及其超快过程研究中存在的问题,对飞秒抽运探测(Pump-probe)技术的试验方法和原理进行了论述。介绍了飞秒抽运探测技术对磁性材料中磁化动力学过程的研究现状,以及抽运探测在磁性材料研究中的新发展——对磁致伸缩材料中的磁化动力学过程研究、对材料复介电常数的测定和光学探针技术的引入,为磁性材料的应用和磁化动力学研究提供了新的方向。

利用非均匀抽运探测激光增强阿秒脉冲强度

为了增强高次谐波光谱及阿秒脉冲的强度,采用数值求解薛定谔方程的方法,理论研究了H+2在抽运探测激光驱动下高次谐波辐射特点。结果表明,在抽运激光驱动下,H+2首先被激发到多光子共振电离区间,进而增大电离几率;随后在探测激光驱动下,谐波辐射强度得到增强;当采用不对称非均匀激光场时,谐波截止频率可以进一步延伸,并且谐波平台区只由单一谐波辐射能量峰贡献;最后通过叠加傅里叶变换后的谐波可获得脉宽在32as的脉冲。该研究对单个阿秒脉冲的产生是有帮助的。

振动态H2^+在抽运探测激光驱动下对谐波辐射强度的影响

理论研究振动态H2+在抽运探测激光驱动下对谐波辐射强度的影响.结果表明,在低振动态下(例如:υ=0),谐波辐射强度随抽运探测激光场延迟时间的增大而减小.随着振动态升高(例如:υ=2),不同延迟时间下的谐波辐射强度差减小.当振动态继续升高时(例如:υ=4),较大延迟时间下的谐波辐射强度反而高于较小延迟时间下的谐波辐射强度.最后,通过研究谐波辐射的时频分析图给出了谐波辐射强度变化的原因.

飞秒激光抽运探测方法测量液体热导率

基于双色飞秒激光抽运探测方法,本文提出一种能够快速测量液体热导率的实验方法,具有测量便捷、精度高,液体用量少等优点.该方法测量过程中液体温升小,液体自身热物性不发生变化,液体内部自然对流传热微弱,对液体热导率测量的干扰可以忽略.对测量过程中样品内部的热输运过程进行了分析,建立了用于分析测量数据的双向热输运模型,并利用该模型对可能影响测量精度的物理参数进行了敏感度分析,包括玻璃基底的热导率、铝传感层的厚度以及抽运激光的调制频率,敏感度分析可以对被测量样品的结构设计和实验条件的选取起到指导作用.利用该实验方法对水和十六烷2种液体的热导率进行了测量,测量结果分别约为0.6和0.14 W/(m K),测量误差分别为2%和10%,与文献报道值吻合程度较高,验证了该实验方法的有效性.另外,该方法还适用于熔点较低的固体热导率的测量(如石蜡等),以及固-液界面热导的测量等.

基于表面等离子体激元共振的飞秒抽运探测技术研究

对基于表面等离子体激元共振(SPR)的飞秒抽运探测技术进行了系统地数字分析.计算结果表明,利用SPR技术可将飞秒抽运探测信号强度ΔR/R提高2—3个数量级,其提高的比例依赖于金属膜的厚度和探测光的入射角,其中R和ΔR分别为探测光反射率的总量和变化量.特别地,对于金属-吸收介质体系,金属膜的介电常数变化对ΔR的影响仅为吸收介质影响的2%,所以ΔR/R主要反应吸收介质中的动力学过程,因此该技术对研究表面和界面的超快动力学过程具有重要的意义.

铝传感层蒸镀速率对飞秒激光抽运探测热反射方法测量热导率影响的研究

对飞秒激光抽运探测热反射实验中的一个关键因素传感层进行了研究，发现铝传感层的蒸镀速率对飞秒激光抽运实验有着很大的影响。分别在3种不同类型的硅片和玻璃片基底上用不同的蒸镀速率蒸镀了100nnm的铝膜蒸镀速率控制在2×10^-10到15×10^-10m／s。通过扫描电子显微镜（SEM）和X射线反射（XRR）研究了蒸镀铝膜表面的形貌及铝膜的厚度。基于飞秒激光抽运探测热反射方法对基底的热导率进行了测量，发现随着蒸镀速率的增大，不同基底测量得到的热导率呈现一致的规律。结果表明，蒸镀速率越大，铝传感层的晶粒越大，传感层的体积热容越小，当蒸镀速率大到一定程度时，由于晶粒的不规则度越来越大，反过来又影响体积热容的大小，从而影响了飞秒激光抽运探测热反射。

单晶硅表面载流子动力学的超快抽运探测

利用800 nm波长的飞秒抽运探测技术测量了单晶硅表面50 ps内的瞬态反射率变化,研究了表面载流子的超快动力学过程。基于自由载流子密度变化过程建立的反射率模型可以很好地描述瞬态反射率变化,说明受激自由载流子超快响应的贡献主导了反射率的变化过程,经拟合获得了样品的表面复合速度(SRV)为1.2×106cm/s。建立了耦合的载流子输运模型,探讨了单晶硅表面热载流子的密度、温度随时间的演化过程。研究表明,表面复合过程是影响本征单晶硅表面载流子动力学的重要因素。

光抽运太赫兹探测技术研究ZnSe的光致载流子动力学特性

利用光抽运-太赫兹探测技术,研究了ZnSe的载流子弛豫过程和太赫兹波段电导率的时间演化过程.在中心波长为400 nm的抽运光作用下,ZnSe的载流子弛豫过程用双指数函数进行了很好的拟合,其快的载流子弛豫时间和慢的载流子弛豫时间均随抽运光密度的增加而增大.快的载流子弛豫时间随抽运光密度的增加而增大与样品中的缺陷有关,随着激发光密度的增加,激发的光生载流子浓度增大,缺陷逐渐被光生载流子填满,致使快的载流子弛豫时间增大;慢的载流子弛豫时间随着抽运光密度增加而增大主要和带填充有关.不同抽运光延迟时间下ZnSe在太赫兹波段的瞬态电导率用Drude-Smith模型进行了很好的拟合.对ZnSe光致载流子动力学特性的研究为高速光电器件的设计和制造提供了重要的实验依据.

较高阶非线性抽运探测过程中的空间效应

在飞秒抽运探测光谱技术中,空间分辨的探测光信号反映了在不同空间位置的材料的非线性效应。当抽运光强度增大时,探测光信号中会出现明显的高阶特别是五阶非线性效应。利用劈裂算子方法直接解决了一维非线性传播方程的问题。在数值模拟中,研究了在不同抽运强度和位置下的抽运探测过程中的五阶非线性效应。在足够高的抽运场下,探测信号出现清晰的振荡,显示了三阶和五阶非线性效应之间的干涉。当空间位置离抽运场中心足够远时,五阶比三阶非线性效应的衰减快得多, 对其物理机制和趋势进行了定性的讨论。

抽运-自旋定向-探测技术及其应用

抽运-自旋定向-探测是最近发展起来的一种新型瞬态测量技术,该技术在胶体纳米结构电荷分离超快动力学探测中具有独特的优势.本文在比较传统的两光束载流子抽运-探测以及自旋抽运-探测的基础上,深入分析了三光束抽运-自旋定向-探测技术的特点、光路配置及其在胶体量子点光致负荷电、正荷电探测中的应用.最后对三光束抽运-自旋定向-探测技术的更多应用前景作出展望.

1064nm纳秒激光对熔石英元件后表面击穿的实验与数值研究

对1064 nm纳秒激光辐照下熔石英元件后表面损伤过程进行了时间分辨诊断.利用基于偏振原理的单发双帧阴影成像系统捕捉了脉冲上升沿开始到数百纳秒尺度内的瞬态材料响应,并结合剪切干涉成像系统分析了空气端等离子体微喷现象.结果表明,损伤在脉冲上升沿就己经发生,此时空气端等离子体的膨胀速度高达20 km/s,同时材料内部也存在高速扩张的不透明损伤区域,但其扩张过程在脉冲结束后迅速停止;损伤发生后数十纳秒后,空气端出现大量中性物质喷发基于激光支持的固态吸收波前模型与相爆炸理论对这些现象进行了讨论.对空气端等离子体扩张过程进行了数值模拟,结果表明空气端等离子体压强、温度与密度等参数值随延迟增加迅速下降,其瞬态压强最高达600 MPa;模拟结果还预测了向内扩张的内激波的形成.研究结果对理解熔石英元件的损伤机理有重要意义.

基于受激辐射信号的谱域光学相干层析分子成像方法

鉴于不同生理病理状态下组织复折射率实部的变化不大,传统光学相干层析(OCT)成像技术在分子特异性识别上存在先天不足.为此,本文提出了基于受激辐射信号的OCT成像方法,可在实现传统散射成像的同时,实现基于受激辐射信号的分子成像.在超高分辨率谱域OCT系统的基础上,通过增设光谱分光与调制抽运光支路,建立了基于单宽谱光源的抽运探测谱域OCT系统,详细推导了调制抽运下受激辐射信号的获取与成像公式.利用搭建的抽运探测谱域OCT系统,实现了瞬态受激辐射信号的相干探测.基于同时获取的受激辐射OCT信号和传统OCT信号,成功重构了氮化物粉末构建样品的基于受激辐射信号的分子对比OCT图像.

液晶光学器件激光损伤研究

为了实现液晶光学器件在高功率固体脉冲激光装置上的应用,采用理论模拟和实验相结合的方法研究了液晶光学器件的激光损伤情况,建立了液晶光学器件激光损伤的物理模型,计算了一定入射激光能量密度下液晶光学器件的温度场分布和损伤情况,测量了液晶光学器件中聚酰亚胺薄膜和液晶材料的激光损伤阈值,得到了液晶光学器件的激光损伤机理和损伤阈值。结果表明,液晶光学器件的激光损伤主要源于组成液晶光学器件的聚酰亚胺薄膜和液晶材料因温度升高导致的破坏,通过液晶光学器件结构的合理设计和物理参量的选择可以提高其抗激光损伤能力。

抽运-探测反射技术研究本征CdTe的载流子动力学

采用抽运-探测反射技术,研究了室温下本征CdTe晶体的光致非平衡载流子布局与光子能量和抽运光强的关系。根据实验结果,发现随着抽运光光子能量的提高,快过程在载流子弛豫过程中所占的比例增大;随着抽运光功率的提高,反射率随之增大,快过程时间常数也随之增大。通过建立简单的本征半导体受激载流子弛豫过程模型,讨论了载流子散射、载流子-声子相互作用和载流子复合等的贡献。在抽运光光子能量为1.49 eV(比CdTe的禁带宽度约高20 meV)时,通过双指数函数拟合,得到了本征CdTe中载流子弛豫过程的快、慢时间常数,分别为2.8 ps和158.3 ps。

光纤喇曼增益系数的简捷测量

基于小信号开关增益原理 ,采用抽运光 探测波法 ,利用SLD(超辐射激光二极管 )作为宽带小信号探测光源 ,快速测量出了标准单模光纤 (G .6 5 2 )的频移为 0 .5～ 2 0THz内的喇曼增益系数 ,测量结果和文献中已有的值基本吻合 ,所测得的光纤喇曼增益系数可用于光纤喇曼放大器的理论和实验研究 。

基于飞秒激光抽运-探测法的微米结构热物性扫描成像系统

本文基于双波长飞秒激光抽运探测系统,建立了非接触式热物性扫描成像系统。实现对具有微米尺度结构材料的表面热物性扫描探测,空间分辨率为6μm。我们采用这种方法对Cu、Sn材料组成的微结构进行了扫描热成像。结果表明该方法可以实现微米结构材料的热物性扫描成像,但是热物性测量结果的准确性与待测样品表面粗糙状况密切相关。因此对于使用该方法进行微米分辨的热物性扫描成像时,对样品表面要进行有效的平滑处理。

频率分辨双光束耦合抽运-探测技术中的空间效应研究

在测量非线性折射率和双光子吸收系数的频率分辨双光束耦合抽运 探测技术中 ,光场的空间分布没有得到考虑。研究了入射飞秒光脉冲的空间分布对实验结果的影响。对不同部位的探测光进行测量可以得到完全不同的结果 ,用所发展的理论给出了解释。通过数值拟合获得了磷化镓 (GaP)在飞秒激光脉冲作用下的非线性折射率和双光子吸收系数。进一步可能从实验上主动选择适当的空间滤波来获得频率 空间分辨信号。

双波长飞秒激光抽运-探测法测量纳米薄膜及界面热物性

建立了用来研究时间空间微尺度传热现象的双波长飞秒激光抽运-探测热反射系统,与常规的单波长飞秒激光抽运探测系统相比,双波长的光路设计方案可以大幅提高信噪比,并使共线的聚焦光路更易实现,从而提高测量的准确度。建立了与实验测量过程相应的多层膜热传导模型,并实现了多参数拟合,可用于对体材料或薄膜材料的热导率以及界面热导的准确测量。本文采用这种先进的测量方法测量了SiO_2纳米薄膜的热导率及其与Si之间的界面热导。

GaAs中电子自旋极化的浓度依赖研究

采用时间分辨圆偏振光抽运-探测光谱,研究本征GaAs中导带底附近电子初始自旋极化和自旋弛豫动力学。发现电子初始自旋极化度小于通常认为的0.5,并随光注入载流子浓度的增大而减小。假设右旋圆偏振光激发到导带的自旋取向,向上与向下电子浓度之比为1:3,理论计算的电子初始自旋极化度随载流子浓度变化关系与实验结果很好的符合。计算结果同时表明,带隙重整化效应对电子初始自旋极化度有较大影响,但电子初始自旋极化度小于0.5的现象并非起源于带隙重整化效应。

GaAs高过超能量态电子自旋相干动力学研究

研究了9.6K低温下、本征GaAs高过超能量态电子自旋相干动力学的浓度依赖,发现当光子能量为1.57eV,载流子浓度增大至2.65×1017cm-3时电子自旋相干量子拍的相位翻转180°。理论计算表明量子拍的相位翻转为区分轻、重空穴系统提供了重要依据,当载流子浓度大于2.6×1017cm-3时,量子拍的振幅主要起源于重空穴价带-导带跃迁,当载流子浓度小于2.6×1017cm-1时,量子拍的振幅主要起源于轻空穴价带-导带跃迁。因而,分别在轻空穴价带-导带系统和重空穴价带-导带系统实验测量电子自旋相干动力学成为可能,实验数据表明在轻空穴价带-导带系统测得的电子自旋相干弛豫时间明显大于在重空穴价带-导带系统测得的电子自旋相干弛豫时间。