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 1.武汉理工大学 深圳研究院, 深圳 518000
2 2.武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室, 湖北省生物材料工程研究中心, 武汉 430070
3 3.姆贝亚科技大学 医学科学与技术系, 姆贝亚, 坦桑尼亚
磷酸三钙(β-TCP)陶瓷替代材料由于其与骨矿物成分相近及良好的生物相容性和骨传导性, 近年来被广泛关注, 常以纳米颗粒、支架和微球等形式用于骨修复。本研究制备了五种不同的磷酸三钙/磷酸三镁(TMP) (TCP、25% TMP、50% TMP、75% TMP和TMP)复合微球并作了相应表征。随着复合微球中TMP含量增加, 微球释放的Mg2+和Ca2+的累积浓度增加, 且TMP可以调节复合微球的降解速率。以小鼠胚胎成骨细胞前体细胞(MC3T3-E1)和人脐静脉内皮细胞(HUVECs)为模型, 评价了该复合微球的生物相容性、成血管和成骨作用。结果表明, 与TCP、TMP和75% TMP相比, 25% TMP和50% TMP复合微球具有更好的细胞相容性, 对HUVECs有一定的促增殖作用。因此, 含25% TMP和50% TMP的复合微球对血管生成和成骨具有更积极的作用。
β-TCP TMP 骨缺损 陶瓷 微球 β-TCP TMP bone defect ceramics microsphere
北京工业大学材料与制造学部 激光工程研究院，北京 100124
利用稀土离子掺杂材料、有机染料以及量子点等荧光材料实现荧光温度传感在航空航天、生物医疗、食品储存等领域具有重要意义。其中，无机卤化物钙钛矿量子点（PeQDs）荧光材料由于具有量子产率高，温度依赖性强等特点，在荧光温度传感领域展现了巨大的应用前景。然而，PeQDs只有一个光致荧光（PL）峰，其强度和位置极易受到浓度和尺寸等因素的干扰，因此用单一PL峰进行温度传感的准确性较低。在本工作中，我们提出了一种微球腔阵列（MCA）耦合PeQDs薄膜（MCA/PeQDs）的新型温度传感结构，利用MCA/PeQDs结构与PeQDs薄膜具有温度依赖性的PL峰值强度比实现温度传感。该结构通过微球腔中回音壁模式（WGMs）增强的Purcell效应提高了自发辐射速率，抑制了声子辅助猝灭效应，从而实现了较好的PeQDs荧光增强。结果表明，在223～373 K范围内，当PeQDs浓度为0.131 6 mg/mL、微球腔直径为（19±1）μm时，该结构的绝对灵敏度（Sa）与相对灵敏度（Sr）可达到0.75 K-1和1.95%·K-1。本工作克服了使用单个PL峰进行温度传感准确性差的缺点，为荧光材料在高性能荧光温度传感器中的应用开辟了新的途径。
温度传感 微球腔 无机卤化物钙钛矿量子点 荧光增强 temperature sensing microsphere cavity inorganic halide perovskite quantum dots fluorescence enhancement
1 北京城市学院研究生部，北京 101309
2 中央民族大学民族学与社会学学院，北京 101309
瓷器文物补全时使用的复合材料被称为补配材料，目前常用于瓷器文物修复的补配材料普遍存在耐老化性能差和力学性能不足的问题。3MTM实心陶瓷微球是一款球形陶瓷材料，具有硬度高、白度高和耐腐蚀等特点，能够有效增强材料的耐老化性能和力学性能。本文以三款市售的陶瓷微球(W-210、W-410和W-610)为研究对象，以常用瓷器补配材料碳酸钙作为对照组，在强紫外光辐照老化、弱紫外光辐照老化、湿热干冷交替老化和未老化四种试验条件下，对试样进行抗折测试、抗拉测试、抗冲击测试、硬度测试、色差测试和光泽度测试。结果表明，3MTM实心陶瓷微球的耐老化性能和力学性能均优于碳酸钙，其中陶瓷微球W-410的耐老化性能和力学性能最优。与碳酸钙对照组相比，试验组力学性能综合提升25%~30%，耐老化性能综合提升50%，可作为新型补配材料应用于瓷器修复。
3MTM实心陶瓷微球 碳酸钙 环氧树脂 瓷器补配 力学性能 3MTM solid ceramic microsphere calcium carbonate epoxy resin porcelain replenishment mechanical property
以四氯化钛为原料, 硫酸铵为分散剂, 尿素为前驱物, 采用一步溶剂热法成功制备出核壳结构纳米TiO2微球。通过控制溶剂热温度对TiO2微球的结构参数(核壳尺寸、晶粒尺寸、比表面积和孔径等)进行调控, 并研究样品光催化降解气相苯的性能。结果表明, 随着溶剂热温度的升高, 微球核壳逐渐分离, 中空结构愈发明显, 且均为20 nm以下的纳米颗粒组成的二级结构。此类微球比表面积高达265.4 m2/g, 孔隙率高达0.247 8 cm3/g, 光吸收性能均较P25 TiO2要高, 且光吸收带边出现“蓝移”。核壳结构微球表现出吸附协同光催化降解苯的特性, 尤其是180 ℃下制备的样品光催化活性最高, 分析表明, 该优异性能得益于其核壳结构对光的充分散射和吸收、优良的结晶度, 以及较高的比表面积。
TiO2微球 核壳结构 溶剂热法 光催化 气相苯 降解 TiO2 microsphere core-shell structure solvothermal method photocatalysis gaseous benzene degradation
Author Affiliations
Abstract
1 Pen-Tung Sah Institute of Micro-Nano Science and Technology, Xiamen University , Xiamen 361102, China
2 School of Optoelectronic Engineering and Instrumentation Science, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China
3 Department of Electrical and Computer Engineering, National University of Singapore, 4 Engineering Drive 3, 117576, Singapore
Creation of arbitrary features with high resolution is critically important in the fabrication of nano-optoelectronic devices. Here, sub-50 nm surface structuring is achieved directly on Sb2S3 thin films via microsphere femtosecond laser irradiation in far field. By varying laser fluence and scanning speed, nano-feature sizes can be flexibly tuned. Such small patterns are attributed to the co-effect of microsphere focusing, two-photons absorption, top threshold effect, and high-repetition-rate femtosecond laser-induced incubation effect. The minimum feature size can be reduced down to ~30 nm (λ/26) by manipulating film thickness. The fitting analysis between the ablation width and depth predicts that the feature size can be down to ~15 nm at the film thickness of ~10 nm. A nano-grating is fabricated, which demonstrates desirable beam diffraction performance. This nano-scale resolution would be highly attractive for next-generation laser nano-lithography in far field and in ambient air.
non-linear effect microsphere femtosecond laser far field Opto-Electronic Advances
2023, 6(6): 230029
Author Affiliations
Abstract
Measurement Technology Group, Faculty of Electrical Engineering and Computer Science, University of Kassel, Wilhelmshöher Allee 71, 34121 Kassel, Germany
Enhancing the lateral resolution in optical microscopy and interferometry is of great interest in recent research. In order to laterally resolve structures including feature dimensions below the Abbe resolution limit, microspheres in the optical near-field of the specimen are shown to locally improve the resolution of the imaging system. Experimental and simulated results following this approach are obtained by a high NA Linnik interferometer and analyzed in this contribution. They show the reconstructed surface of a 1D phase grating below the resolution limit. For further understanding of the transfer characteristics, measured interference data are compared with FEM (finite element method) based simulations with respect to the polarization dependency of the relevant image information for 1D phase gratings. Therefore, the implemented Koehler illumination as well as the experimental setup utilize polarized light.
Interferometry Microsphere Resolution CSI Polarization Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2023029
1 华南师范大学华南先进光电子研究院光及电磁波研究中心，广东 广州 510006
2 皇家理工学院应用物理系，瑞典 斯德哥尔摩 SE-10691
微球可实现光场的调制，能够将入射光束聚焦于微球背面一个极窄区域，使得出射光束半峰全宽小于光学衍射极限，且聚焦强度远远高于入射光场强度。此外，微球具有高数值孔径特性，能够提高探测信号的收集效率。基于所述优势，微球为实现光学超分辨成像以及荧光增强提供了新思路和实现途径。相比传统技术，基于光学微球的超分辨成像及荧光增强技术更简便、更直接且易于实现，其成像及增强效果均可媲美传统超分辨技术与荧光增强技术，在生物成像及医学检测方面，具有重要的研究价值和应用前景。近年来，关于微球调制光场实现荧光增强的研究取得了较大发展，但与之相关的综述论文仍较少。系统总结阐述微球增强荧光发光以及微球调制光场技术，对于该领域的未来研究发展极为重要。首先介绍基于微球的光学超分辨成像，包括明场超分辨成像和荧光超分辨成像；然后阐述基于微球的荧光增强研究，包括现象研究、机制探索以及影响因素讨论等；最后，总结微球超分辨成像及荧光增强进展和技术应用，分析并展望该技术领域的未来发展挑战和趋势。
光场调控 微球超分辨 明场超分辨 超分辨荧光成像 荧光增强 激光与光电子学进展
2023, 60(10): 1000001
1 东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819
2 东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110819
3 东北大学秦皇岛分校河北省微纳精密光学传感与检测技术重点实验室，河北 秦皇岛 066004
提出一种在纤式回音壁模式微球谐振腔，并对其温度和折射率传感特性进行研究。首先，分析了不同尺寸的微球腔与光纤结构耦合时的相位匹配情况，以锥形光纤为探针来拾取并移动钛酸钡微球，将其嵌入空心光纤，形成在纤式谐振腔结构，从而在微球中激发回音壁模式，并与空心光纤端面的反射光相互作用，产生法诺共振。实验结果表明，激发的法诺共振峰曲线的斜率高达-99.3 dB/nm。另外，通过实验证明了此结构对温度和折射率均具有较好的传感特性，灵敏度分别为26.8 pm/℃和-244.97 dB/RIU。该谐振腔性能稳定、结构紧凑、加工简单，在纤式的反射结构使其有望在复杂的传感环境中发挥作用。
光纤光学 光纤传感器 在纤式 回音壁模式 微球腔
VS4是极具发展前景的储钠负极材料之一，它具有一维链状结构，链间距远大于钠离子半径(0.583 nm vs. 0.102 nm)，且理论储钠容量高达1 196 mA·h/g。然而，在反复的充放电循环过程中，该电极材料体积会发生剧烈地膨胀收缩，最终导致结构崩塌，电池循环稳定性差、容量衰减等问题，严重限制了VS4的实际应用。为此，提出构筑高稳定性微球结构VS4 (直径约1 μm)。独特的三维微球结构，可以缓解体积膨胀，提高循环稳定性，改善电化学反应动力学。当用作钠离子电池负极材料时，电池表现出优异的倍率性能(372 mA·h/g@2.0 A/g和297 mA·h/g@5.0 A/g)和长循环稳定性(5.0 A/g下稳定循环100圈)。
钠离子电池 负极材料 四硫化钒 三维微球 sodium-ion battery anode material vanadium tetrasulfide three-dimensional microsphere
