高频飞秒激光对硅材料烧蚀的热积累效应

对硅材料飞秒激光损伤进行了数值模拟。首先,在飞秒激光与硅相互作用的双温模型中引入能带电子激发、双光子吸收,俄歇复合等一系列非线性项,通过每一个光场半周期中的麦克斯韦电磁场公式,得出材料中不同时间的光场强度,作为描述材料对光强的响应物质方程的输入项。通过麦克斯韦方程与物质方程间的迭代可以得到烧蚀的硅的一系列参数,如电子浓度、晶格温度等。在此基础上分析了皮秒、亚皮秒量级双脉冲和三脉冲飞秒激光作用下,激光能量密度和脉冲延迟时间对热积累效应的影响。     

Effect of the femtosecond laser treatment of hydrogenated amorphous silicon films on their structural, optical, and photoelectric properties

The effect of the femtosecond laser treatment of hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) films on their structural, optical, and photoelectric properties is studied. Under the experimental conditions applied in the study, laser treatment of the film with different radiation intensities induces structural changes that are nonuniform over the film surface. An increase in the radiation intensity yields an increase in the contribution of the nanocrystalline phase to the structure, averaged over the sample surface, as well as an increase in the conductance and photoconductance of the samples. At the same time, for all of the samples, the absorption spectrum obtained by the constant-photocurrent method has a shape typical for those of amorphous silicon. Obtained results indicate the possibility of a-Si:H films photoconductance increase by femtosecond pulse laser treatment.     

多脉冲飞秒激光烧蚀金属箔的热电子发射数值分析

通过双温模型(TTM)结合Richardson-Dushman方程对多脉冲飞秒激光烧蚀铜箔的热电子发射以及温度场进行了数值模拟。在模拟的过程中充分考虑了随着飞秒激光脉冲个数的改变,铜箔对飞秒激光的反射率、表面吸收率和表面吸收系数的变化等因素,部分改写了飞秒激光光源项,从而实现了多脉冲飞秒激光烧蚀铜箔的热电子发射和温度场的动态数值模拟。数值模拟发现,随着脉冲个数的增加和脉冲间隔的减小,铜箔表面的反射率和表面吸收系数将明显减小,表面吸收率将明显增大,这一变化对铜箔的电子发射以及多脉冲飞秒激光照射下铜箔的温度场具有重要影响;而随着距铜箔表面深度的增加,这些影响将逐渐减小。     

微爆材料的飞秒激光三维光存储

飞秒激光三维光存储是实现高密度和超高密度光存储的重要方法之一。对一种新的微爆材料（以PMMA为基质掺杂Sm0.5Ce0.5（DBM）3Phen染料）的吸收光谱进行了测量和分析,以波长为514.5 nm的激光作为激光光源获得了激发前后的荧光光谱,以800 nm飞秒激光作为激发光源得到激发前后的电子旋转共振光谱特性,并分析了不同激光脉冲能量下存储数据点尺寸和存储点读出灰度值的变化情况,并实现了该材料的飞秒激光四层光信息存储,点间距为4 m,层间距为16 m,实验结果表明:这种材料可以很好地应用于三维光信息存储。     

飞秒激光诱导硅表面高频周期结构

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=/2,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/6~/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。     

Optical super-resolution effect induced by nonlinear characteristics of graphene oxide films

In this work, we focus on the optical super-resolution effect induced by strong nonlinear saturation absorption (NSA) of graphene oxide (GO) membranes. The third-order optical nonlinearities are characterized by the canonical Z-scan technique under femtosecond laser (wavelength:800 nm, pulse width:100 fs) excitation. Through controlling the applied femtosecond laser energy, NSA of the GO films can be tuned continuously. The GO film is placed at the focal plane as a unique amplitude filter to improve the resolution of the focused field. A multi-layer system model is proposed to present the generation of a deep sub-wavelength spot associated with the nonlinearity of GO films. Moreover, the parameter conditions to achieve the best resolution (~l/6) are determined entirely. The demonstrated results here are useful for high density optical recoding and storage, nanolithography, and super-resolution optical imaging.     

飞秒激光致双液滴光学击穿和等离子体分布研究

为了研究超短激光脉冲与双液滴相互作用过程中的光学击穿和等离子体分布,基于麦克斯韦方程组和电离速率方程,构建了飞秒激光与双液滴的瞬态耦合模型,使用有限元分析方法,对飞秒激光辐照微米量级双液滴的自由电子密度和光场分布进行了计算,得到了双液滴结构对液滴光学击穿和等离子体变化的影响。结果表明,第2个液滴的击穿阈值约为同等条件下单液滴击穿阈值的35%;等离子体的形态和击穿点的位置随双液滴间距发生变化,且在聚焦区域产生纳米等离子体射流;第2个液滴对激光能量的吸收随着双液滴间距的增加而减少;当分别使用满足击穿阈值的光强入射,双液滴吸收的能量约为单液滴的3%;第2个液滴对激光能量的吸收随光强增大而增大,能量吸收比例最终趋于0.01,仅为单液滴的1.5%。该研究为激光诱导水击穿和激光在大气中的传输提供了一定的参考。     

黑硅制备及应用进展

黑硅作为一种新型低反射率的硅材料,有良好的广谱吸收特性,在光电领域将有很好的应用前景.概括地介绍了黑硅的各种制备方法(飞秒激光扫描、化学腐蚀法和等离子体处理),以及黑硅在太阳能电池、光电二极管、场发射、太赫兹发射等领域的应用.     

飞秒激光扫描不同温度下的硅片诱导形成微结构的差别

不同温度下利用钛宝石激光器输出的飞秒激光脉冲(脉宽42fs,中心波长800nm,最大单脉冲能量3.6mJ),通过扫描方式在硅表面诱导产生表面微结构。采用光学显微镜和扫描电镜观察飞秒激光诱导硅表面微结构的形貌,发现不同温度下硅片表面形成的微结构区域和形貌出现明显的差异。根据观测结果,分析比较了不同温度条件下硅材料微结构形成的能量阈值。随着温度升高,形成的微结构区域减小,飞秒激光诱导形成硅表面微结构的能量阈值升高。这对于研究飞秒激光与物质的相互作用有一定的参考价值,也能对将来实现硅表面微结构的制作提供参考。     

3种吸收率模型的金属激光加热数值研究比较

为了比较单一常数吸收率模型、固态和液态吸收率分别为常数的组合吸收率模型以及温度相关吸收率模型对于数值结果的影响,分别采用这3种吸收率模型建立了空间轴对称有限元计算模型,模拟了激光加热铝板的过程,对比了不同吸收率模型下的计算结果,讨论了这几种吸收率模型的优劣和适用范围.结果表明,对于固态和液态均明显存在的加热过程,固态和液态阶段分别为不同常数的组合吸收率模型能得到与使用吸收率温度相关模型很相似的结果,而使用单一的常数吸收率模型与之相比则差别较大;对于加热区域为单一物态的加热过程,使用单一常数吸收率模型与使用吸收率温度相关模型的计算结果有一定的差别,但差别不大.     

Generation of surface electromagnetic waves in semiconductors under the action of femtosecond laser pulses

It is demonstrated that intense photoexcitation of the surface of a semiconductor with femtosecond laser pulses can induce fundamental changes in its optical response and ensure conditions for the generation of surface electromagnetic waves of various types. The connection between electronic processes initiated in the surface layer by photoexcitation and the formation of periodic surface microstructures observed in experiments on irradiation of Si targets is considered. The importance of photoemission in the processes taking place under ultrashort excitation is confirmed.     

Optimized Optical Rectification and Electro-optic Sampling in ZnTe Crystals with Chirped Femtosecond Laser Pulses

We report on optimization of the intensity of THz signals generated and detected by optical rectification and electro-optic sampling in dispersive, nonlinear media. Addition of a negative prechirp to the femtosecond laser pulses used in the THz generation and detection processes in 1-mm thick ZnTe crystals leads to an increase of the THz intensity of more than 30% at low laser intensity and up to 60% at higher laser intensity. Dispersion compensation in the ZnTe crystal, which becomes significant for laser pulses with durations much less than 100 fs, is responsible for the enhanced generation and detection efficiency at low excitation intensity, and our simulations indicate that two-photon absorption is responsible for the increased efficiency enhancement observed at high excitation intensity.     

飞秒激光刻蚀增强非晶硅薄膜太阳电池性能的研究

通过恒速移动线偏振飞秒激光焦点对非晶硅(a-Si) pin型薄膜太阳电池n型硅膜表面进行绒化刻蚀处理,形成不同周期间隔“凹槽”状结构.采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对刻蚀后薄膜表面形貌进行了表征,证实了刻蚀区域表面能够诱导晶态多孔微结构形成.比较了飞秒激光刻蚀前后a-Si太阳电池的光电转换效率(η)、开路电压、短路电流密度和填充因子.结果表明,当飞秒激光脉冲能量为0.75 J/cm2、刻蚀周期间隔为15μm时,太阳电池光电转换效率达到14.9％,是未经过激光刻蚀处理电池光电转换效率的1.87倍.同时,反射吸收谱表明,电池表面多孔“光俘获”微结构的形成对其光电转换效率的提高起到了关键作用.     

飞秒激光加工半导体材料考虑电子逆韧致辐射吸收效应的烧蚀理论模型

本文对飞秒激光加工微纳器件半导体材料过程中的微观烧蚀机理进行了理论研究,基于试探粒子法,采用Fokker-Planck方程,建立了描述飞秒时间尺度内的电子非平衡态输运过程的理论模型,该模型屏弃了弛豫时间和激光吸收系数为常数的假设,给出了屏蔽coulomb势作用下电子输运的漂移系数与扩散系数表达式,考虑了电子逆韧致辐射机制对激光吸收系数的影响,通过数值模拟获得了自由电子非平衡态分布,并在此基础上计算了飞秒激光的烧蚀阀值,讨论了飞秒激光参数对烧蚀半导体材料的影响。     

复合石墨烯/硅半球的宽带太赫兹超材料吸收器

提出了一种性能可调的宽带、极化与入射角不敏感的超材料太赫兹吸收器,该吸收器自上而下分为四层结构,分别是:硅半椭球/半球体复合结构、连续石墨烯层、PDMS介质层和金属背板。通过在TE波垂直入射条件下仿真,在已知结果基础上,对不同石墨烯化学势和不同结构条件下的电场结果分析表明,在硅半椭球/半球体亚波长复合结构所形成的连续、多模法布里-珀罗共振,以及由石墨烯所激发的多个离散的等离子体共振的协同作用下,其吸收光谱得到平滑和扩展,使该结构可实现吸收率宽范围可调,以及接近100%吸收率的宽频带吸收特性。特别的,当石墨烯化学势分别为0.2与0.9 eV时,其分别可获得约5.7 THz与7 THz的宽带太赫兹波吸收（吸收率超过90％）,且其最大吸收率接近完美吸收（约99.8％）。此外,该结构还具有360°极化不敏感和高于60°的入射角不敏感等优异特性,在以上角度范围内,吸收器吸收率仍可保持到90%以上。在太赫兹波探测、光谱成像以及隐身技术等方面具有潜在的应用前景。     

硝基苯超快非线性折射效应及机理研究

利用Z扫描测量技术研究了飞秒和皮秒激光脉冲激发下液体硝基苯的三阶非线性折射率n2。Z扫描实验的结果表明:液体硝基苯在20 ps、532 nm波长激发下的非线性折射率n2是300 fs,800 nm波长激发下的n2值的11倍。利用带相位物体的飞秒泵浦探测方法研究了液体硝基苯的非线性折射动力学机理。基于泵浦探测实验结果确定了液体硝基苯在超快激光激发后的非线性折射响应函数。测量结果可为基于硝基苯液体的集成光子学器件设计和溶液非线性测量提供有益参考     

三角阵列电极的太赫兹光电导天线结构设计

光电导天线具有室温操作、紧凑设计和宽带辐射等优点,但辐射功率低限制了其广泛应用,其中低光吸收率是辐射功率低的主要原因之一。传统的天线电极无尖端结构,边缘电场弱,导致了低的光吸收率。为了提高光电导天线的辐射功率,设计了一种三角阵列天线电极结构,该电极结构由5个三角形尖端排列组成。使用时域有限差分(FDTD)方法研究了800 nm飞秒激光照射下电极的电场增强和衬底对光的吸收。此结构增加了激光入射到衬底的面积,并且减小了光载流子传输距离,在无电场情况下光的吸收率达到30.57%,相对于传统天线提高了161%。三角阵列电极结构为传统电极结构设计提供了新思路,有望与纳米结构结合进一步提高辐射功率。     

飞秒激光诱发直接带隙半导体瞬态漂白效应建模

在建立瞬态光谱吸收系数模型的基础上,结合超快载流子动力学机制,建立了可以描述飞秒激光诱发直接带隙半导体瞬态漂白机制的理论模型,对飞秒激光诱发直接带隙半导体的瞬态漂白特性进行了数值仿真研究。结果表明,飞秒激光不仅可以诱发对应波长的瞬态漂白,还能导致激发波长到半导体长波限的宽光谱范围的瞬态漂白,且波长越长漂白现象越明显,甚至会引发能带底部出现负吸收现象。     

硫系玻璃Ge28Sb12Se60薄膜光学非线性增强色散特性

采用真空热蒸发以及退火工艺制备了支持局域表面等离激元的微纳结构薄膜,在此薄膜上蒸镀了硫系玻璃Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀薄膜。应用Z-扫描技术,在飞秒激光脉冲激发下研究其光学非线性增强的色散特性,在650 nm和850 nm波段观察到了非线性吸收增强;非线性折射率随着波长的增加由负变正。通过扫描电子显微镜和透过光谱表征和分析了硫系玻璃Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀薄膜非线性吸收增强的原理,非线性吸收随着波长的增加由单光子吸收为主逐渐转变为双光子吸收为主;银膜的微纳结构导致硫系玻璃薄膜的共振中心频率发生了偏移。实验制备的用于增强硫系玻璃非线性的微纳结构制作简单,无需复杂光刻工艺,为非线性光子学器件的设计提供了新的思路。     

Femtosecond pump and probe experiments on thiophene-based polymersby a hybridly mode-locked cavity-dumped dye laser

Results on the bleaching decay observed in low-band gap thiophene-based polymers by femtosecond pump and probe experiments are presented. The laser used for excitation and probe is a newly developed cavity dumped femtosecond dye laser. The excited state kinetics of these materials presents a fast biexponential time behavior that may be related to the formation and decay of self-trapped excitons