北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院，北京 100124
表面增强拉曼光谱（SERS）是一种高灵敏的分子振动指纹光谱技术。光辅助化学还原制备SERS衬底具有成本低、环境适用性强等优势，但在微纳结构多样化制造方面存在局限性，限制了SERS衬底的检出性能。笔者系统研究了介质微球独特的聚焦特性，揭示了微球直径对聚焦光场分布的调控规律，在微球底部实现了可控的光场空间分布，实现了多级银微纳结构的快速光还原合成。进一步，通过优化制备参数（前驱液浓度比、激光辐照功率及辐照时间），成功制备了具有优异拉曼增强效果的多级银纳米颗粒/银微环/介质微球（AgNPs/AgMRs/MS）复合结构。通过介质微球和多级银微纳结构（AgNPs/AgMRs）中的光场耦合，即微球聚焦、多级银微纳结构局域表面等离激元共振以及复合结构定向发射等，实现了10-14 mol/L的痕量检测，增强因子可达9.50×109，为光化学还原制备高性能介质-金属复合SERS衬底提供了新思路。
光谱学 表面增强拉曼光谱 多级银微纳结构 光化学还原 介质微球
1 北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院, 北京 100124
2 北京石油化工学院新材料与化工学院, 北京 102617
3 北京印刷学院印刷与包装工程学院, 北京 102627
ZnO是第三代半导体的代表之一, 可作为紫外光致发光与多共振模式激光的载体, 尤其以光学气化过饱和析出法(OVSP)制备的ZnO微米晶近年来在光催化、 高效多彩光源、 高效电致发光等方面显示出重要优势, 但其制备成本较高、 生产效率低下, 阻碍了其大规模器件化的发展。 针对上述问题, 基于有限元分析的结果, 设计并搭建了一套工作波长在1 080 nm, 功率18%(@2500W)激光加热的微米晶生长装置。 以ZnO为原料验证了所研制装置的可行性与实用性。 结果表明, 该装置制备产物与OVSP法制备产物在形貌、 结构、 发光性能上非常接近, 生产效率得到极大提高(~500%)。 利用研制的生长装置, 成功制备出了具有完整六边形截面形貌的富受主型ZnO单晶微米棒, 其直径约为3.8 μm, 长度达10~20 μm。 通过拉曼光谱发现, ZnO微米棒的拉曼峰清晰尖锐, 位于437 cm-1处的拉曼峰对应模式, 所制备微米棒为结晶性较好的六方纤锌矿结构。 通过对ZnO微米棒荧光光谱的分析, 发现其与OVSP法所制备的ZnO微米管具有类似的紫外双峰结构, 表明微米棒内存在大量与锌空位(VZn)相关的受主缺陷。 在80~280 K范围内, 随着温度升高, ZnO微米棒的荧光发光峰强度出现“热猝灭-负热猝灭-热猝灭”的反常行为。 研究发现, 在166~200 K范围内出现的负热猝灭行为与导带底以下477 meV处存在的中间态能级(陷阱中心)有关, 在200~280 K范围内出现的热猝灭现象与导带底以下600 meV处非辐射复合中心有关。 两者的出现与所制备的ZnO微米棒氧空位(VO)缺陷相关。 所研制的激光生长装置具有较高的可行性与实用性, 该制备方法为富受主型ZnO单晶微米棒的快速批量生长奠定了技术基础, 同时对其在光电器件领域的应用也具有重要意义。
ZnO微米晶 激光材料加工 拉曼光谱 光致发光光谱 ZnO microcrystal Laser material processing Raman spectrum PL spectrum 光谱学与光谱分析
2022, 42(10): 3000
1 上海应用技术大学材料科学与工程学院, 上海 201418
2 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
3 加州大学劳伦斯伯克利国家实验室, 加州伯克利 94720
钽酸镁(Mg4Ta2O9)晶体的衰减时间快于CdWO4晶体, 光产额及能量分辨率高于CdWO4晶体, 低余辉特性和CdWO4类似, 在0.01%/3 ms左右, 又由于Mg4Ta2O9晶体材料无毒性元素, 使其成为具有替代含有毒Cd元素的CdWO4晶体, 应用于集装箱安检领域的最佳候选材料之一。本文综述了Mg4Ta2O9晶体的结构特性、晶体生长、闪烁性能及掺杂改性等方面的研究进展, 发现通过掺杂Zn或Nb能显著提高其光产额。
钽酸镁晶体 闪烁晶体 微下拉法 光学浮区法 掺杂 magnesium tantalite crystal Mg4Ta2O9 Mg4Ta2O9 scintillation crystal micro-pulling-down method optical floating-zone method doping
1 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
2 北京市数字化医疗3D打印工程技术研究中心, 北京 100124
通过248 nm KrF准分子激光辐照,可以快速地制备PA2200材料三维(3D)打印件亲水性表面,打印件表面接触角从120°减小至70°,且辐照后打印件相结构未发生变化。通过X射线衍射仪、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪等表征手段,进行打印件的表面形貌、微观结构、极性官能团种类和数量的变化分析及Cassie-Baxter模型分析,结果表明KrF准分子激光辐照PA2200材料3D打印件可以使打印件表面变得光滑,同时可以产生C=O双键亲水性基团,改善并调控打印件表面浸润性。
激光光学 激光辐照 激光选区烧结 亲水性 中国激光
2018, 45(12): 1201006
分别采用波长为532 nm的短脉冲激光(脉宽6 ns)和超短脉冲激光(脉宽15～20 ps)对蓝宝石进行基本作用规律的研究, 探究了多/单脉冲烧蚀点直径与功率的关系, 分析脉冲数与材料阈值的关系, 确定材料阈值。并且对相关作用机理进行系统的对比分析。研究结果表明, 烧蚀点直径的平方与脉冲峰值功率的对数呈线性关系, 根据关系式计算得出光斑半径与实际测量值相符, 并且材料阈值随脉冲数的增加而降低。纳秒绿激光烧蚀蓝宝石材料主要是基于光热作用的机理, 而皮秒激光烧蚀蓝宝石材料在以“电子态”冷去除的同时, 还兼具一些非线性效应。
532 nm激光 皮秒 纳秒 蓝宝石 阈值 532 nm wavelength picosecond laser nanosecond laser sapphire threshold
1 北京工业大学激光工程研究院,北京 100124
2 北京工业大学应用数理学院,北京 100124
采用固相烧结方法制备了纯ZnO陶瓷及GZO(Ga:ZnO)陶瓷。借助拉曼光谱和X射线衍射分别对ZnO陶瓷和不同掺Ga含量的GZO陶瓷进行了测量与分析。结果表明:GZO陶瓷均保持六角纤锌矿结构,在98 cm-1,437 cm-1处分别出现ZnO的特征峰E2(low)和E2(high)；比之纯ZnO陶瓷,在GZO陶瓷的拉曼光谱中出现了位于584 cm-1以及631 cm-1附近的新峰,位于1148 cm-1附近的E1(LO)的倍频模随着Ga掺杂浓度的提高也发生了一些变化。对新峰的振动模归属以及掺杂后原有峰的变化进行了讨论,其中将位于631 cm-1附近的拉曼峰,归因于Ga替代Zn位与O成键的局域振动模式(LVMGa-O)。
GZO陶瓷 拉曼光谱 局域振荡模(LVM) Ga掺杂 GZO ceramics Raman spectra local vibiration mode Ga doping
介绍了一种具有高工艺可控性特征的单晶硅表面亚微米结构阵列介电微球辅助激光-化学复合成型的方法，采用这种方法可以在单晶硅表面制备具有较好周期性和均一性的三维微结构阵列。分析并总结了微球直径、刻蚀时间及激光脉冲能量密度对结构成型的影响规律，根据时域有限差分模拟法和晶硅结晶及其化学刻蚀的基础理论，分析研究了微结构的成型机制，并以样品表面反射率为例，验证了利用不同工艺所制备出的微米结构阵列对其表面光学性能的调控作用。
激光技术 介电微球 准分子激光 单晶硅 碱刻蚀 微结构阵列
1 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
2 北京工业大学电子信息与控制工程学院, 北京 100124
采用不同能量密度、脉冲数的248 nm 准分子激光对表面为p型的GaN 外延片进行辐照，再对样品进行退火处理。对激光辐照前后以及退火前后的样品进行光致发光、阴极射线谱、X 射线光电子谱、霍尔效应、I-V 曲线等表征。实验结果表明：激光辐照和N2气氛下退火相结合可以使GaN 外延片的电学和发光性能均较辐照前有不同程度的提高。将改性后的GaN 外延片封装成发光二极管(LED)器件，研究了其发光性能与激光辐照能量密度和退火气氛的关系。改性后的GaN 基LED 器件的发光强度最高可增加约37%，说明GaN 外延片电学和发光性能的改善将直接影响其封装成LED 器件后的发光性能，这对于提高GaN 基LED 的性能有重要意义。
材料 发光二极管 准分子激光辐照 发光性质 电学性质 中国激光
2015, 42(10): 1006004
采用波长为532 nm 的短脉冲激光(脉宽6 ns)对Y-TZP陶瓷进行铣削实验研究。探究了单次刻蚀槽宽与功率的关系，分析脉冲数与材料阈值的关系，确定材料阈值。并且探究了铣削量及质量随激光工艺参数的变化规律，确定最优工艺参数，进一步进行了脉冲激光铣削微米级二维结构的工艺实验。研究结果表明槽宽的平方与脉冲峰值功率的对数呈线性关系，根据此关系式计算得出光斑半径与实际测量值相符。材料阈值随脉冲数增加而降低，在扫描速度、功率和重复频率的最优匹配下，可实现最大铣削量为1.35 mm3/min。在优化工艺参数下，完成直径500 μm 的盲孔和宽200 μm、高100 μm 的台阶方槽二维结构无裂纹铣削加工，结构边缘无残渣堆积，表面粗糙度为3.746 μm。
激光器 二维铣削 阈值 累积效应 Y-TZP陶瓷
报道了248 nm 准分子激光微透镜整形均束装置的研制结果。实际采集并拍摄了248 nm 准分子激光光能量分布的彩色图像，使用Matlab分析处理该图像并提取了相关信息进行计算，通过光学软件ZEMAX 模拟出符合实际准分子激光光能量分布的光源。通过分析空间光能量分布特征，设计并加工出一套适用于248 nm 准分子激光的微透镜整形均束装置，且理论模拟和实际测试结果相吻合。248 nm 准分子激光通过该光学系统整形均束后，可以在工作平面上得到一个约18 mm×18 mm 的正方形光斑，光斑的能量均匀度误差(加工窗)在±2％ 以内，平顶因子为0.90，光能量通过率为85%左右，解决了248 nm 准分子激光光斑形状不规则，且光斑能量分布不均匀的问题。该装置的研制成功，对于优质、高效地开展准分子激光微加工提供了具有自主知识产权的技术支撑。
激光光学 准分子激光 均束装置 微透镜 能量分布 整形
