强激光与粒子束
2024, 36(2): 025019
1 1.西南大学 人工智能学院, 重庆 400715
2 2.西南大学 类脑计算与智能控制重庆市重点实验室, 重庆 400715
模拟型阻变突触特性能够为神经形态计算提供高的计算精度并避免计算过程中带来的电导卡滞、跃变以及失效等问题。模拟生物突触在刺激脉冲下的行为, 能够更好地揭示电子器件的仿生特性机理并为高性能神经形态计算提供支撑。突触双脉冲易化是生物突触的重要特性, 反映了在外界刺激作用下的易化和适应性过程, 对揭示神经元的工作机制至关重要。为了构建突触双脉冲易化的模拟型忆阻器件, 本研究通过器件的能带结构设计及氧空位缺陷态的调控, 利用射频磁控溅射法制备了一种结构为Ag/FeOx/ITO的忆阻器。电学测试结果表明, 该器件具有优异的渐进递增的非线性阻变特性, 即模拟型阻变特性。在I-V循环扫描3000次范围内, 这种器件均表现出模拟型阻变特性, 可提供稳定的、可分离的16个电导状态, 且在104 s内维持良好, 说明这些电导状态是非易失性的, 这主要归功于电子在氧空位缺陷态中的捕获与去捕获以及在势垒间隧穿行为。但是, 在低电场强度情况下, 捕获的热电子有可能会跃迁出浅陷阱能级, 而呈现出易失性。根据这种器件的易失性和非易失性共存特性, 通过调制电压脉冲宽度、幅度, 器件能够表现出很好的突触双脉冲易化特性, 显示出该类型器件在神经形态计算中的潜力和优势。
忆阻器 氧化铁 缺陷态 突触双脉冲易化 memristor iron oxide defect state synaptic double pulse facilitation
1 南昌航空大学江西省光电信息科学与技术重点实验室，江西 南昌 330063
2 南昌航空大学江西省光电检测技术工程实验室，江西 南昌 330063
钽铌矿中Ta和Nb元素含量极低，采用常规激光诱导击穿光谱（LIBS）技术面临检测灵敏度不足的问题，双脉冲LIBS技术可显著改善分析灵敏度，但设备成本高。为此，提出一种基于单激光分束构造的双脉冲激光诱导击穿光谱（DP-LIBS）技术对钽铌矿中Ta和Nb元素进行高灵敏度检测。在对离焦量、采集延时、激光能量等实验参数优化的基础上，建立了LIBS定量分析模型。结果表明：所提的DP-LIBS系统对Ta和Nb元素特征谱线强度比单脉冲LIBS增强3~4倍，检测灵敏度提高约2倍，Ta和Nb元素检出限分别达到195.91 μg·g-1和81.79 μg·g-1。为钽铌矿痕量Ta和Nb元素的快速高灵敏度定量分析提供了一种有前景的检测方法。
双脉冲激光诱导击穿光谱 钽铌矿 定量分析 灵敏度 等离子体 激光与光电子学进展
2023, 60(13): 1330001
1 西南科技大学极端条件物质特性联合实验室, 四川 绵阳 621010
2 西南科技大学理学院, 四川 绵阳 621010
3 陆军勤务学院教研保障中心, 重庆 401331
为促进LIBS技术在微量重金属元素检测以及核污染检测领域的应用, 提高检测灵敏度和准确性, 采用了激光双脉冲LIBS技术和光电双脉冲LIBS技术, 分别对土壤和二氧化硅中的铀元素进行分析。 首先, 对激光脉冲能量、 电压和采集延时等参数进行优化, 提高铀元素特征谱线的强度和信噪比; 然后在优化实验参数条件下, 对含不同浓度铀元素的土壤样品和二氧化硅样品进行激发; 选取UII 367.01 nm、 UII 454.36 nm两条铀元素的特征谱线作为分析线, 通过铀元素浓度与特征谱线强度的线性关系, 建立定标曲线。 双脉冲激光激发条件为: 激光脉冲1作为预脉冲, 主要参数为1 064 nm, 90 mJ, 9.2 ns, 激光脉冲2作为再加热脉冲, 主要参数为355 nm, 50 mJ, 8 ns, 两个脉冲的时间间隔800 ns, 光谱采集相对第二个脉冲延时1 μs, 得到铀元素在土壤和二氧化硅两种样品中的浓度检测下限分别为572和110 mg·kg-1, 拟合优度值R2分别为0.958和0.999。 在光电双脉冲激发条件下, 激光脉冲作为预脉冲, 主要参数为355 nm, 50 mJ, 8 ns, 高压电脉冲作为再加热脉冲, 主要参数为3 900 V、 方波、 脉宽50 μs, 两个脉冲的时间间隔1 μs, 得到铀元素在土壤和二氧化硅两种样品中的浓度检测限分别为108和64 mg·kg-1, 拟合优度值R2分别为0.991和0.997。 研究结果表明: 在相同激发条件下, 铀元素的特征谱线存在明显的基体效应, 在二氧化硅样品中具有更高的光谱强度、 更低的检测限和更高的拟合优度值; 相比于激光双脉冲, 光电双脉冲能显著增强铀元素特征谱线的强度、 稳定性和提高信噪比, 且光电双脉冲系统的光路更简单, 这对于LIBS技术的发展以及应用具有重要参考意义。 该研究方法和研究结果可为土壤重金属污染检测、 核泄漏时土壤和气溶胶的应急监测提供技术支持。
光谱学 激光诱导击穿光谱 激光双脉冲技术 光电双脉冲技术 铀元素 Spectroscopy Laser-induced breakdown spectroscopy Laser double-pulse technology Photoelectric double-pulse technology Uranium
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Physics, Shanghai University, Shanghai 200444, China
2 School of Material Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China
We designed a femtosecond (fs) + picosecond (ps) double-pulse sequence by using a Mach–Zehnder-like apparatus to split a single 120 fs pulse into two sub-pulses, and one of them was stretched to a width of 2 ps by a four-pass grating system. Through observing the ripples induced on the ZnO surface, we found the ionization rate appeared to be higher for the sequence in which the fs pulse arrived first. The electron rate equation was used to calculate changes of electron density distribution for the sequences with different delay times. We suggest that using a temporally shaped fs+ps pulse sequence can achieve nonlinear ionization control and influence the induced ripples.
ZnO ultrafast double-pulse sequence ripple temporal shaping nonlinear ionization Chinese Optics Letters
2023, 21(2): 021602
Author Affiliations
Abstract
School of Physics and Optoelectronics, Faculty of Science, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
The dispersive Fourier transform technique provides feasibility of exploring non-repetitive events and the buildup process in ultrafast lasers. In this paper, we report a new buildup process of dissipative solitons in a simplified mode-locked Yb-doped fiber laser, which includes more complex physics stages such as the Q-switching stage, raised and damped relaxation oscillation stages, noise-like stage, successive soliton explosions stage, and soliton breathing stage. Complete evolution dynamics of noise-like pulse and double pulse are also investigated with dispersive Fourier transform. For the noise-like pulse dynamics process, it will only experience the Q-switching and relaxation oscillation stages. In the case of dissipative soliton and noise-like pulse, the double pulse buildup behavior is manifested as the replication of individual pulses. A weak energy migration occurs between two pulses before reaching steady state. Meanwhile, real-time mutual conversion of the dissipative soliton and noise-like pulse has been experimentally observed, which appears to be instantaneous without extra physical processes. To the best of our knowledge, this is the first report on these physical phenomena observed together in a mode-locked fiber laser. The results further enrich the dynamics of mode-locked fiber lasers and provide potential conditions for obtaining intelligent mode-locked lasers with controllable output.
dispersive Fourier transform dynamics process simplified mode-locked fiber lasers dissipative soliton noise-like pulse double-pulse Chinese Optics Letters
2022, 20(8): 081402
长春工业大学电气与电子工程学院, 吉林 长春 130012
在合金钢众多成分中碳(C)属于微量非金属元素, 其含量决定了合金钢的主要力学性能, 准确、 实时掌握C元素的含量, 对合金钢的生产及分类起到关键作用。 双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)是一种可用于在线快速分析合金钢中元素的有效手段, 不仅具有实时、 样品预处理简单等优点, 还能够增强物质的烧蚀度和信号强度, 从而提高LIBS技术的检测灵敏度。 为了减小基体效应影响, 进一步提高LIBS技术对合金钢中微量C元素定量分析的精确性, 采用多元素多谱线的修正方法, 通过DP-LIBS结合反向传播人工神经网络(BP-ANN), 建立多变量GA-BP-ANN定标法。 首先在氩气环境对合金钢样品进行DP-LIBS采集, 目标C元素选择了谱线强度变化能够体现其含量变化的C 193.09 nm处的原子谱线, 同时选取共存元素Fe, Cr, Mn和Si对应的特征谱线, 以提供更多的光谱信息, 提高C元素定量分析的准确度, 共选择15条特征分析谱线, 其中Fe元素含量丰富且相对稳定, 作为内标元素引入以减小谱线波动; 之后通过遗传算法(GA)寻优, 对C/Fe, Cr/Fe, Mn/Fe和Si/Fe的谱线强度比进行优化选择; 最后将GA选择的多谱线强度比作为BP-ANN网络的输入, 输出为目标C元素浓度值, 建立多变量GA-BP-ANN定标方法。 为比较该方法预测结果的精确性, 同时建立传统定标曲线法与以C/Fe为输入的单变量BP-ANN定标方法。 利用标准合金钢样品, 通过留一法交叉预测C元素含量值, 与内标法和单变量BP-ANN定标方法相比, 预测样品的平均相对误差分别由14.78%和14.75%减小到8.29%, 预测值与真实值之间的决定系数R2分别由0.967 4和0.974 4提升至0.989 3。 结果说明了多变量GA-BP-ANN定标法预测的C元素含量更接近于真实含量, 证明了该方法用于LIBS检测合金钢中C元素含量的可行性。
双脉冲LIBS 定量分析 低碳合金钢 多变量 Double pulse laser induced breakdown spectroscopy (DP-LIBS) Quantitative analysis Low-carbon alloy steels Multi-variable GA-BP-ANN GA-BP-ANN
双脉冲激光诱导等离子体在激光加工、元素检测、材料去除等领域有广阔的应用前景和发展空间，对其进行诊断具有重要意义。针对延迟双脉冲激光诱导铝等离子体的作用效果和影响机理，采用双波长干涉法对其时间演化规律展开研究。基于马赫-曾德尔干涉仪搭建了双波长干涉诊断系统，得到了双脉冲激光诱导等离子体干涉图。通过对干涉图的处理和分析，得到了等离子体电子密度随双脉冲激光延迟时间的变化规律。结果表明，随着双脉冲激光延迟时间的增加，第二束脉冲激光对等离子体电子密度的增强效果先加强后减弱。其中，双脉冲激光延迟时间为10 ns时，对等离子体电子密度的增强效果最强，在30 ns时刻，其中心区域平均电子密度可达6.49×1019 cm−3，相较于同等能量单脉冲激光诱导等离子体提升了26%。同时研究了延迟时间对第二束脉冲激光作用机制的影响。研究结果为双脉冲激光诱导等离子体的优化方向提供了参考。
激光等离子体 双脉冲激光 双波长干涉 电子密度 laser plasma double-pulse laser two-wavelength interference electron density 红外与激光工程
2022, 51(2): 20210892
华南理工大学物理与光电学院, 广东 广州 510641
为了更好地解决正交双脉冲激光诱导击穿光谱(DP-LIBS)技术中再加热激光能量利用率低、信号增强效果不理想的难题,本研究团队建立了靶增强正交DP-LIBS技术,并研究了其信号增强机理。将再加热激光作用于铝靶表面产生靶等离子体,通过靶等离子体与样品等离子体的相互作用来显著增强样品元素的信号强度。以黄铜为样品,本团队通过实验研究了脉冲延时对原子辐射强度的影响,并分析了等离子体温度变化和光学辐射的时域演化特性。研究结果表明:在优化的实验条件下,靶增强技术可以在传统再加热正交DP-LIBS的基础上,使样品元素的信号强度继续显著增强。信号增强主要来自等离子体温度的升高和碰撞机制。该技术能显著增强正交DP-LIBS的信号强度,对于进一步提高正交DP-LIBS的光谱分析灵敏度、取得更理想的分析效果具有较重要的科学意义。
光谱学 激光诱导击穿光谱 激光等离子体 正交双脉冲 固体靶 信号增强 中国激光
2021, 48(24): 2411001
