激光纳米表面工程技术

表面工程技术、纳米技术和激光技术结合产生了激光纳米表面工程技术。总结了相关的各种主要实现方法。通过对大量现有文献的总结和分析研究可知,可以通过这些激光处理方式对材料表面进行自纳米化或者熔敷制备含纳米颗粒的涂层。

神经网络和遗传算法的激光纳米陶瓷涂层工艺优化

为了提高激光纳米陶瓷涂层工艺优化的精度,提出神经网络和遗传算法的激光纳米陶瓷涂层工艺优化模型。首先选择影响激光纳米陶瓷涂层的工艺参数,然后采用遗传算法对神经网络进行优化,并将优化神经网络用于建立工艺参数与结合强度和显微硬度之间的预测模型,最后的激光纳米陶瓷涂层工艺优化实验结果表明,本文模型降低了激光纳米陶瓷涂层工艺优化误差,可以准确对激光纳米陶瓷涂层的性能进行预测。

激光纳米焊接改善CNTs薄膜场发射性能研究

结合电泳沉积法和激光纳米焊接工序,在没有结合剂的情形下完成了CNTs和Al基层间较好的嵌入式粘合,从而制备出CNTs和AL复合材质形成的场发射阴极薄层。对该复合材质进行膜场发射机能测量,开启电压下降了约60%,发射ρ(I)表现出稳固晋升。正是由于激光的快速、稳固和纯净,使得处理后的界面阻抗减小,电子发射更容易。

上海光机所发现激光纳米治疗癌症新途径

日前，中国科学院上海光机所陈昆研究员领导的生物光子学研究小组与上海应用物理研究所李文新研究员领导的小组在对碳纳米管靶向药物传递细胞模型的合作研究中取得新发现：

级联耦合纳米激光器混沌时延特征消除和带宽增强

纳米激光器作为光学源的重要组成部分,其非线性动力学更是成为近年来研究的热点之一.本文针对级联耦合纳米激光器系统中时延特征和带宽特性进行了研究.引入0-1混沌测试对纳米激光器的动力学特性进行了量化,利用自相关函数分析激光器输出信号中的时延特征.仿真中,针对中间纳米激光器是否带有明显时延特征峰的两种情况进行对比分析.研究结果表明:选择合适的系统参数,可以使从纳米激光器始终输出无明显时延特征的宽带混沌信号.通过改变频率失谐参数使得中间纳米激光器存在明显的时延特征,此时从纳米激光器可以在较小的参数区间内输出时延抑制及带宽增强的混沌信号,当中间纳米激光器时延信号完全隐藏时,从纳米激光器可以在较大的参数平面上实现时延特征的抑制,同时带宽得到明显展宽.此外,还通过绘制频率失谐及注入强度下从纳米激光器输出的二维空间分布图和带宽线图,确定了纳米激光器在混沌信号下能够同时实现抑制时延特征与带宽增大的较宽参数范围.这对于实现保密性增强的混沌光通信应用提供了重要理论基础.

激光诱导铝基碳纳米管薄膜及场发射性能

结合电泳沉积和激光纳米焊接技术在常温下成功制备了铝基单壁碳纳米管(SWCNTs-Al)薄膜。首先,将单壁碳纳米管电泳沉积到铝片基底上,再使用皮秒脉冲激光构建二者的可靠连接。对SWCNTsAl薄膜进行场发射性能测试,开启电压从焊接前的5.1V/μm降低到2.1V/μm,发射电流密度显著提高且更加稳定。这主要是激光纳米焊接后界面接触阻抗减小,场致电子发射更容易实现的结果。基于SWCNTs-Al薄膜的表面形貌图和场发射性能测试结果,确定了最优的激光纳米焊接参数。

激光纳米尺度先进加工技术

综述了激光-扫描探针显微镜(Laser-SPM )纳米尺度加工先进技术及激光纳米结构先进加工技术。

表面等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展

传统半导体激光器由于采用光学系统反馈而存在衍射极限,其腔长至少是其发射波长的一半,因此难以实现微小化。基于表面等离子体激元的纳米激光器可以实现深亚波长乃至纳米尺度的激光发射,而且现代微纳加工技术的逐步成熟,也为亚波长乃至纳米量级激光器的研制提供了成熟的技术条件。本文重点综述了国际上已成功实验验证的基于表面等离子体激元的纳米激光器的最新研究进展,综述了表面等离子体激元的基本原理,给出了若干种表面等离子体激元纳米激光器的结构和特点,指出该类激光器现存问题主要表现在激元损耗高及由此引起的制备工艺和电泵浦涉及的技术难题。文中最后展望了纳米激光器的应用和研究前景。

基于表面等离子体激元的纳米激光器设计

设计了一种基于纳米线/间隔层/金属层的纳米激光器结构.该结构中,金属界面的表面等离子体模式与高增益介质纳米线波导模式耦合,提高了场增强效应.采用有限元法,分析了该结构的模式特性和增益阈值随几何尺寸的变化规律.结果表明:该结构具有较低的传播损耗和较强的光场限制能力,有效传播损耗最小值仅为0.013 3,归一化模式面积最小值仅为0.007.该纳米激光器结构可为发展新一代高效纳米激光器件提供理论和技术支持.

基于纳米孔径激光器的近场光存储的最新发展

近几年发展起来的近场光学原理和方法为实现超高密度光学数据存储开辟了新的技术途径。基于近扬光学方法的最小信息记录单元尺寸突破了经典光学分辨率的衍射极限 ,理论存储密度高达 1 0 0 0Gb/平方英寸 ,受到了研究人员和工业界的广泛关注。着重介绍了用于近场光学存储的纳米孔径激光器的原理、结构、优点 ,对它的实现方法和发展状况作了详细的阐述 。

纳米金改善激光诱导等离子体探测方法研究

针对提高激光诱导击穿光谱技术(LIBS)中等离子体的发射光谱强度的问题,提出一种在铜样品表面沉积金纳米颗粒的方法。在样品表面沉积纳米金颗粒后对铜进行激光诱导击穿(NELIBS),得到NELIBS和LIBS下的发射光谱强度增强因子、信噪比等参数。实验表明,通过在铜样品表面沉积金纳米颗粒的LIBS(NELIBS)可以有效增强等离子体辐射光谱信号强度,铜元素谱线增强因子最高可达8.01,微量元素镁元素谱线增强因子最高为6.01,且增强因子均随激光能量的增加而逐渐减小并趋于稳定;NELIBS可以明显改善信噪比,铜元素在激光脉冲能量为80 mJ时达到最优,镁元素在激光能量为50 mJ时达到最优。对谱线Cu I 521.8 nm和Mg II 279.569 nm进行洛伦兹拟合,并得到半高全宽,发现纳米金颗粒使谱线半高全宽增加,谱线Mg II 279.569 nm的半高全宽增加了165.58%,谱线Cu I 521.8 nm的半高全宽增加了30%。样品中的微量元素因谱线强度低、信噪比差而无法探测到,通过此方法可以有效提高探测能力。

低阈值混合表面等离子体纳米激光器的仿真设计

设计了一种包含圆柱形纳米线、空气间隙和半圆顶金属脊结构的低阈值纳米激光器.通过有限元法对激光器的模式特性、品质因数以及增益阈值进行数值计算,并研究了这些特性因子随结构几何参数(空气间隙、金属脊宽度和纳米线半径)的变化情况.结果表明,通过对参数进行调整,激光器的性能得到了显著优化.在最优参数下,增益阈值可达0.47μm-1,传输损耗仅为0.018.本文设计的纳米激光器能够实现低阈值的亚波长激射和低损耗传输,在生物医学、光通信等领域有广泛的应用前景,可为小型化和集成化的纳米设备提供技术支持.

纳米孔径垂直腔面发射激光器的制备及特性

在850nm波长垂直腔面发射激光器的基础上制备了纳米孔径垂直腔面发射激光器.当小孔尺寸为400nm×400nm时,在25mA驱动电流下,其最大输出光功率达到了0.3mW,功率密度约为2mW/μm2.文中介绍了纳米孔径垂直腔面发射激光器的制备工艺,并对它的光谱特性和寿命特性进行了分析.

紫外波长下混合表面等离子体纳米激光器

设计了一种带有金属脊和氟化镁夹层的紫外混合表面等离子体纳米激光器。在COMSOL Multiphysics软件的基础上,使用有限元法分析了所设计激光器结构的电场分布、模式特性、品质因数和增益阈值。结果表明:在工作波长为390nm的紫外波段,通过最优参数设计,其光场约束可达到较好的深亚波长水平,同时保持高的品质因数、低的损耗和阈值。与平坦金属层结构相比,在相同的参数下,所设计的结构具有更强的光场限制能力和更强的微腔束缚能力,有潜力使纳米设备趋于小型化和集成化。

基于单体纳米半导体的白光激光技术研究

纳米半导体激光的探究是当前纳米技术和半导体激光交汇形成的研究最前端。基于单休纳米半导体研发的白光激光技术有着前沿的发展光景,而白光激光是最新的激光光源,其具备了能量密度高、中心波长灵活,方向性极好以及高度的空间和时间优势等,进一步扩展了激光技术的使用范围和可利用功能,可以根据实际需要随意更改激光的时间脉冲形状,形成脉宽最短的激光脉冲。作为全新的激光技术,它有效应用到社会各领域,发挥技术性价值。

纳米激光粒度仪在硅溶胶粒度测试中的应用研究

使用Zetasizer Nano ZS型纳米激光粒度仪分别对GRJ10030和GRJ10050(氧化硅质量分数30%、50%,粒径约100nm)的两种硅溶胶进行了粒度检测。结果发现:原液中存在多重散射及粒子间的相互作用。随稀释倍数增加,多重散射及粒子间相互作用被削弱,氧化硅质量分数低于10%时,两种硅溶胶的平均粒径(Z-Ave)值、多分散系数(PDI)值、粒度分布等均分别趋于一致。GRJ10030型硅溶胶5倍稀释液,GRJ10050型硅溶胶20倍稀释液,有相对集中、稳定的粒度分布,且测试重现性良好。

基于混合表面等离子体波导的纳米激光器的研究

设计了一种带有金属脊和低折射率介质夹层的新型混合表面等离子体波导结构,利用有限元法对该结构进行了数值仿真。COMSOL Multiphysics软件是一款基于有限元法模拟真实物理现象的仿真软件。在COMSOL Multiphysics软件平台上,构建该结构的三维模型,使用模态分析和频域分析模块,研究了其电场分布、归一化模式面积、传输长度、增益阈值、品质因数。结果表明:在工作波长为370nm时,所设计波导的光场约束可达到较好的深亚波长水平,同时保持大的传输长度。提出的带有金属脊结构与平坦金属层结构相比,波导特性更好。将该结构应用于纳米激光器,由基模和纵模反映出,激光器内光场分布稳定且集中在极小的面积内。在波导特性良好的情况下,该激光器可保持较低的增益阈值和较高的谐振腔品质因数。综合考虑,选取最优尺寸为r=80nm,d=45nm,此时有效模式面积为0.005 1λ2,传输长度为1 668nm,增益阈值为1.46×10-6 m-1,品质因子74.5。最后,在最优尺寸下,通过仿真得到了该结构的发射光谱,其发射波长为360nm,输出电能比输入电能增强了3 100倍。该结构为小型化和集成化的纳米设备提供了技术支持,在生物医学和光通信等领域有广泛的应用前景。

基于共振波导光栅结构准连续域束缚态的低阈值纳米激光器的数值研究

纳米激光作为一种纳米级相干光源,是光电集成芯片的关键器件.激光器进一步小型化的阻碍在于随着激光器谐振腔体积的减小,其损耗迅速增大.连续域束缚态(bound states in the continuum,BICs)能有效降低全介质结构的辐射损耗.本文提出一种基于全介质共振波导光栅(resonant waveguide grating structures,RWGs)准BIC的纳米激光器,可有效降低纳米激光器的阈值.将传统两部分光栅转换为四部分光栅,可激发波导结构的准BIC模式.本文数值研究了该模式的受激辐射放大特性.结果表明:TE偏振光照射下,基于四部分光栅的RWG结构的纳米激光阈值比基于传统RWG结构的阈值低20.86%.TM偏振光照射时,阈值比传统RWG结构降低了3.3倍.而且TE偏振光照射时纳米激光的阈值比TM偏振光照射时阈值大约低一个数量级,这是因为TE偏振光照射时,结构的电场局域在波导层内,增强了光与增益材料的相互作用,从而降低了纳米激光的阈值.

外场调控下的纳米激光时延隐藏及不可预测性提升

纳米激光器作为未来实现光集成的重要光学元件,成为了近年来的研究热点之一,相应的结构工程及输出特性受到了广泛的关注.然而,纳米激光的非线性动力学方向上的研究却少有报道.本文基于纳米激光器的单模速率方程,应用排列熵复杂度量化工具分析了光反馈及光注入下的混沌纳米光源不可预测程度,并通过自相关函数进行时延表征.结果表明:增加线宽增强因子a、偏置电流I_(dc)、减小增益饱和因子e、自发辐射增强因子F、自发辐射耦合因子b都有利于提升混沌的不可预测性并抑制时延特征.而通过光反馈方式产生的混沌光源进一步注入到另一个纳米激光器,会带来额外的光场非线性作用,进一步地增强混沌激光的复杂度特性.此外,基于绘制频率失谐及注入强度下激光器输出的二维复杂度空间分布,确定了获取高不可预测度纳米激光混沌信号的参数范围.这对于实现低成本、小尺寸、高品质混沌光源的研究有重要推动作用.

Si_(3)N_(4)/WS_(2)/Al_(2)O_(3)三明治型纳米激光器结构参数优化

高性能的片上纳米激光器对通信、传感以及量子等领域的发展有着至关重要的意义。纳米激光器中高的光学限制因子可以保证更大的模式增益,实现更低的激光器阈值。首先阐明了借助物理气相沉积和原子层沉积制备Si_(3)N_(4)/WS_(2)/Al_(2)O_(3)三明治型纳米激光器阵列的工艺流程;构建了该纳米激光器的仿真模型,在仿真模型中对实际结构进行了简化并分析了Al_(2)O_(3)覆盖层厚度T、Si_(3)N_(4)微盘直径D和厚度H对光学限制因子的影响。光学限制因子随着Al_(2)O_(3)覆盖层T以及Si_(3)N_(4)微盘直径D的增加有先增加后减小的趋势,Si_(3)N_(4)微盘厚度H的减小也可以显著增加激光器的光学限制因子;最后展示了器件的荧光以及扫描电子显微镜的表征结果。该工作为集成光学芯片中可规模制备的高性能纳米激光器打下了良好基础。