利用分子动力学模型模拟出单个脉冲作用后的热传导过程, 并得到了在下个脉冲辐照前硅材料表面的温度变化情况, 深入探究了非辐射复合及表面浮雕结构对硅表面温度的影响, 并根据分子动力学方程数值模拟了多脉冲飞秒激光烧蚀硅材料的超快热响应, 分析了电子与晶格的瞬态热平衡和硅表面最大温度随俄歇复合的变化。针对硅材料加工领域中高频多脉冲持续扫描硅表面的情况, 建立了宏观加热机制, 以减轻加工过程中的热累积效应。当采用较高重频脉冲时, 宏观热模型计算结果表明多脉冲扫描硅表面时, 温度的热积累不仅与光源本身入射通量和重频有关, 也与扫描速度有关。实验中运用通量为1～2 J/cm2、重频为10 Hz～1 kHz的飞秒激光光源烧蚀硅靶, 发现低频脉冲下表面熔融、氧化等现象不利于产生光滑孔状形貌。

根据已经建立的紫外准分子激光损伤典型光学材料的理论模型, 研究了准分子激光对透明光学材料(石英玻璃)和非透明光学材料(K9玻璃)的损伤特性, 并结合实验结果证实了理论模型的有效性。研究表明: 在准分子激光对非透明光学材料辐照下, 激光光斑半径越大, 产生的热应力和温度越小; 脉宽越小, 产生的热应力越大; 随着脉冲数的增加, 温度和热应力都逐渐增大。值得注意的是, 当重频增加至45 Hz以上时, 熔融损伤阈值开始低于应力损伤阈值, 这说明当重频增加到一定程度时, 非透明光学材料将首先产生熔融损伤, 而不再是应力损伤。在准分子激光对透明光学材料辐照下, 杂质微粒的半径和掩埋深度对光学材料温度场分布有着重要影响。但当杂质半径和掩埋深度超过一定的数值时, 杂质粒子的存在与表面温度并无联系。理论模型能够较好地解释石英玻璃前/后表面相同的初始损伤形貌特征。

通过引入双温方程电子数密度模型, 德鲁德模型和波纹间隔理论?撰=?姿/2S, 得到高频波纹周期具有波长依赖性的特点, 分析了在辐射光通量接近损伤阈值时, 高频周期波纹在一定范围内接近λ/6~λ/4, 且随入射激光通量近似成正比。同时基于时域有限差分法(FDTD)的方法对飞秒激光辐照硅表面电场分布进行数值仿真, 在初始脉冲形成近波长波纹的情况下, 硅表面的电场再分布使得激光能量大多沉积在凹槽边缘, 产生高频周期性结构。在此基础上对初始凹槽深度和激发态下硅表面的光学性质(介电常数)进行分析, 得到了形成高频周期波纹的条件。该研究对于理解飞秒激光造成硅表面形成周期结构及其在加工硅材料领域具有重要的参考意义。

激光共振电离光谱技术是一种利用一路或多路激光将待测原子选择性共振激发与电离, 通过测量离子信号来研究原子能级结构的光谱技术。 研建了一套激光共振电离光谱装置, 用于原子高激发态能级结构参数的测量。 分别从该装置的总体结构、 关键技术和应用实例等方面进行了详细介绍。 该套装置主要包括高调谐精度的染料激光器系统、 高效的激光离子源系统和高分辨率的飞行时间质量分析器。 染料激光器系统包括3台多纵模可调谐染料激光器和1台单纵模可调谐染料激光器, 均为脉冲工作方式, 重复频率为10 kHz, 泵浦源均为532 nm的Nd∶YAG固体激光器。 激光离子源系统包括原子化源、 激光与原子相互作用区和离子光学透镜组三部分组成, 样品在原子化源中被电加热实现原子化, 喷射出的原子被激光选择性激发、 电离, 产生的离子被离子传输透镜整形成能量分散小、 束窄的离子束。 飞行时间质量分析器采用了反射式结构设计、 脉冲垂直推斥技术和偏转板调节技术。 利用此装置, 实验测定了U原子的自电离态光谱, 获得了U原子一条较佳的三色三光子共振电离路径, 对应激光的波长分别为591.7, 565.0和632.4 nm。 此系统还可用于测量同位素位移和原子超精细结构等参数。 另外, 由于此系统中联用了质量分析器, 因此可用于样品多元素分析、 痕量元素分析、 同位素丰度分析。

在飞秒激光打孔硅材料过程中, 为了得到表面等离子体效应和激光烧蚀形成的孔洞对后续激光能量在孔内分布的影响, 建立单脉冲等离子体阈值理论模型及设计连续飞秒激光烧蚀硅材料实验.理论计算得到的损伤阈值为0.21 J/cm2, 符合实验模型测得的阈值0.20～0.25 J/cm2.当载流子密度达到临界值Ncr, 等离子体的激发会导致表面反射率短时间内急剧上升.入射激光通量从0.5 J/cm2增大到3.0 J/cm2, 烧蚀深度逐渐增大并趋于约1.1 μm, 同时脉宽从150 fs减小到50 fs, 烧蚀结构类似于椭圆形烧蚀轮廓.后续激光脉冲辐照在已形成的孔洞上时, 基于时域有限差分法, 控制光束与孔壁的夹角从79℃到49℃, 激光能量越接近孔底中心, 越易引发该范围内的等离子体激发; 且在不同偏振态光束辐照下, 孔底的能量分布不同会造成相应特殊的烧蚀形貌.增大激光通量和减小脉冲宽度获得理想的初始孔洞结构, 可使后续脉冲能量集中孔底中心区域, 打孔效果更好.

对InGaN/GaN多量子阱蓝光和绿光LED进行了室温20, 40, 60 mA加速电流下的电应力老化研究, 发现蓝光与绿光样品经过60 mA电流老化424 h后, 其电学性能表现出一定的共性与差异性: 在小测量电流下, 绿光样品的光衰减幅度较蓝光样品大~9%; 而在较大测量电流 (20 mA)下, 两者的光衰减幅度基本相同 (18%)。同时, 蓝绿光样品的正向电学性能随老化时间的变化幅度基本一致, 反映出它们具有相似的退化机制, 绿光样品老化后增多的缺陷大部分体现为简单的漏电行为, 而并非贡献于非辐射复合中心。在此基础上对GaN基外延结构进行了优化, 优化后的LED长期老化的光衰减幅度较参考样品降低了3%。

采用热化学气相沉积的方法在选择性液相外延方法制备的GaAs微尖上生长碳纳米管。利用扫描电子显微镜以及拉曼光谱对生长的碳纳米管进行表征。结果表明: GaAs微尖在高温下重新结晶成条状梯形GaAs阵列, 生长的碳纳米管连接在相邻的GaAs阵列之间, 形态规整, 具有较好的石墨微晶结构。在此基础上, 提出在微尖上生长纳米管的模型, 为实现微纳器件互联提供了一种新方法。

通过直流磁控反应溅射制备了氮化铝(AlN)薄膜, 研究了沉积条件与氮化镓(GaN)缓冲层对薄膜质量的影响。利用X-射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)表征了AlN薄膜的晶体结构和表面形貌。XRD研究结果表明, 低工作压强、短靶距和适当的氮气偏压有利于(002)择优取向的AlN薄膜沉积。随着沉积时间的增加, 沉积在50 nm厚的GaN缓冲层上的AlN薄膜的(002)面的衍射峰的半高宽急剧减小, 而沉积在1 μm厚的GaN薄膜上的AlN薄膜的(002)面的衍射峰的半高宽几乎不变。SEM测试结果表明: 在沉积的初期, 沉积在1 μm厚的GaN薄膜上的AlN薄膜的(002)面的晶粒大小分布比沉积在50 nm厚的GaN缓冲层上的AlN薄膜的均匀, 而随着沉积时间的增加, 它们的晶粒大小分布几乎趋向一致。

采用对a-AlGaN表面沉积SiO2纳米颗粒制备工艺得到了金属-半导体-金属(MSM)结构的a-AlGaN紫外探测器。与没有沉积SiO2纳米颗粒的探测器件相比, 沉积SiO2纳米颗粒使器件的暗电流下降了一个数量级, 峰值光谱响应度提高了近3个数量级, 紫外/可见抑制比大于103。

采用热扩散方法, 对AlN薄膜进行了Si掺杂。利用电子能量散射谱(EDS)以及高温变温电导对薄膜进行了分析。EDS测试结果表明：在1 250 ℃的温度下, 氮化硅(SiNx)作为Si的扩散源, 可以实现对AlN薄膜的Si热扩散掺杂。高温电流-电压(I-V)测试表明：在460 ℃测试温度下, AlN薄膜在热扩散掺杂以后, 其电导从1.9×10-3 S·m-1增加到2.1×10-2 S·m-1。高温变温电导测试表明：氮空位(V3+N)和Si在AlN中的激活能为1.03 eV和0.45 eV。