1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093
2 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
3 上海大学低维碳与器件物理研究所物理系，上海 200444
利用重复频率为1 kHz的钛蓝宝石飞秒激光烧蚀悬浮在甲醇中的单壁碳纳米管制备碳炔。利用表面增强拉曼光谱仪和紫外可见吸收光谱仪对样品溶液进行光谱表征，并用高效液相色谱仪对样品进行分离，确认有碳炔（CnH2，n＝6，8，10，12，14，16）生成，其中的主要产物是C8H2。对制备碳炔的最佳激光功率与最佳加工时间进行了研究，结果显示：当激光单脉冲能量为0.52 mJ、加工时间为1.5 h时，可以获得最高的碳炔产率。对碳炔的合成机制进行了较深入的解释。激光功率密度存在饱和阈值，该饱和阈值与C2自由基的碎裂程度有关，激光功率密度超过饱和阈值后会打破C2自由的“反向” 第四键，进而影响C2自由基合成碳炔。因此，随着激光单脉冲能量增大，碳炔的产率呈现先增加后降低的现象。本研究可为碳炔的大规模制备提供重要参考。
激光技术 碳炔 飞秒激光烧蚀 激光功率密度饱和阈值 单壁碳纳米管 中国激光
2023, 50(20): 2002404
1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093
2 中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室，上海 201800
3 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术实验室，上海 201800
为实现石英玻璃的快速密封焊接，本文提出了一种利用皮秒激光进行两步扫描的焊接方法，首先利用较高能量脉冲快速扫描，在玻璃界面形成初步焊接，再利用较低能量脉冲慢速扫描，扩大熔池体积。在焊接强度和密封性能等方面，将两步扫描焊接与传统单步扫描焊接进行了对比，结果表明：两步扫描焊接样品具有更高的焊接强度（平均剪切强度达到了45 MPa），同时可实现更好的密封效果。为了探究不同间隙宽度下玻璃焊接强度的变化，通过滴加含不同直径SiO2微球的分散液增大玻璃间隙，结果发现两步扫描方法可以对间隙超过27 μm的石英玻璃进行一定强度的焊接（剪切强度为2.4 MPa）。基于此方法，成功实现了石英玻璃的高强度快速密封焊接，并利用单一皮秒激光扫描平台演示了微通道的快速制备和封装。
激光技术 玻璃连接 密封焊接 两步扫描 微通道封装 皮秒激光 中国激光
2023, 50(20): 2002101
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 上海科技大学 信息科学与技术学院，上海 201210
单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来，国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术，充分放大光子信号，以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件（Electron Multiplying Charge Coupled Devices, EMCCDs）具有更高的量子效率，可替代传统的可见光光子计数系统，但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件（HgCdTe APD）的过剩噪声因子接近1，几乎无过剩噪声；相对于盖革模式的雪崩器件，没有死时间和后脉冲，不需要淬灭电路，具有超高动态范围，光谱响应范围宽且可调，探测效率和误计数率可独立优化，开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域，在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神（Raytheon）公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。文中总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状，分析了吸收倍增分离型（Separation of Absorption and Magnification, SAM）、平面PIN型和高密度垂直集成型（High Density Vertically Integrated Photodiode, HDVIP）三种结构的HgCdTe APD器件性能、光子计数能力以及制备优缺点。雷神公司采用分子束外延（Molecular-Beam Epitaxy, MBE）方式制备了空穴倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件，增益可达350，光子探测效率达95%以上，工作温度达180 K以上。DRS技术公司采用液相外延（Liquid Phase Epitaxy, LPE）碲镉汞材料制备了电子倍增机制的HDVIP型中波HgCdTe APD器件，在0.4~4.3 μm的可见光到中红外波段都能响应，最高增益可达6100，光子探测效率大于70%，可实现110 Mbps的自由空间通信。CEA/LETI实验室和Lynred公司采用分子束外延或液相外延制备了电子倍增机制的PIN型短波和中波HgCdTe APD器件，短波器件增益达2 000，中波最高增益可达13000，内光子探测效率达90%，实现了80 Mbps的自由空间通信，在300 K和增益为1时，带宽最高达10 GHz。英国Leonardo公司采用金属有机气相沉积（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE）方式制备了电子倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件，命名为Selex Avalanche Photodiode HgCdTe Infrared Array（SAPHIRA），器件增益可达66@14.5 V，单光子探测率达90%以上，中心距为24 μm的320×256阵列的SAPHIRA器件供给法国First Light Imaging公司，研发出了C-RED ONE相机，相机成功应用于美国天文探测的密歇根红外组合器（Michigan Infrared Combiner, MIRC），将MIRC的系统噪声降低了10~30倍，大大提高了条纹探测的信噪比。国内碲镉汞雪崩探测器研究起步比较晚，主要研究机构有中国科学院上海技术物理研究所、昆明物理研究所和华北光电技术研究所，受限于芯片制备技术和电路技术，目前没有实现光子计数方面的应用，但在焦平面研制上取得了一定进展。中国科学院上海技术物理研究所研制了PIN结构的单元、128×128阵列、320×256阵列中波HgCdTe APD器件，器件增益可达1000以上，增益100以内，增益归一化暗电流密度低于1×10−7 A/cm2，增益400以内的过剩噪声因子小于1.5，增益133时的噪声等效光子数为12，进行了短积分快速成像演示；单元器件带宽可达300~600 MHz。昆明物理研究所研制了PIN结构的单元和256×256阵列的中波HgCdTe APD器件，单元器件增益可达1000以上；在偏压8.5 V以内，焦平面平均增益归一化暗电流为9.0×10−14~ 1.6×10−13 A，过噪因子F介于1.0~1.5之间。国内主要是研制平面PIN结构的HgCdTe APD器件，技术路径与法国基本相同。因而，我国可借鉴CEA/LETI实验室成功经验和Lynred公司的运营模式，持续推进HgCdTe APD器件的研究，以早日达到国际先进水平，实现单光子探测和光子计数应用。
碲镉汞 光子计数 线性雪崩 光子探测效率 器件结构 过剩噪声 HgCdTe photon counting linear-mode avalanche photon detection efficiency device structure excess noise 红外与激光工程
2023, 52(3): 20230036
1 中科院上海技术物理研究所 红外材料与器件重点实验室，上海 200083
2 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
对分子束外延（MBE）生长的原位As掺杂HgCdTe外延材料的热退火造成的As扩散控制进行研究。在较低的退火温度下获得了As扩散长度可控的HgCdTe材料，易于形成符合设计参数的PN结轮廓，为后续新型焦平面器件的研发提供基础。研究发现，在热退火过程中，原位As掺杂HgCdTe的As浓度的大小和纵向分布随着不同的Hg分压而发生改变。并通过理论计算获得了不同Hg分压下的As扩散系数。同时，通过数值模拟对不同As扩散长度的P-on-N器件结构进行了暗电流模拟，验证了As掺杂结深推进工艺的重要性。
碲镉汞 As扩散 热退火 暗电流 HgCdTe As diffusion thermal annealing dark current
1 中国科学院新疆生态与地理研究所, 荒漠与绿洲生态国家重点实验室, 新疆 乌鲁木齐 830011
2 中国科学院大学, 北京 100049
当前, 基于机器学习方法开展农作物分类研究, 对于确保干旱区粮食安全和生态安全有着极为重要的现实意义。 基于机器学习方法, 采用时间序列Sentinel 2A遥感数据提取农作物分类信息, 通过引入地块基元和红边特征, 探讨了不同分类特征组合对机器学习分类精度的影响。 结果表明: 随机森林分类器可以有效集成光谱和植被指数等多维向量的优势, 将其应用于干旱区典型农作物分类上的精度均在89%以上, 分类组总体精度最高可达94.02%。 地块基元点集支持下的分类特征提取方法能够提高机器学习效率和农作物分类精度, 使光谱组及指数组的分类精度分别提高3.13%和4.07%, 并能有效解决“椒盐”效应及耕地边缘廓线模糊等问题。 红边光谱和红边指数的引入分别使随机森林分类器总体精度提高2.39 %和1.63%, 并使春、 冬小麦的识别能力显著提高, 表明红边特征能够帮助分类器更敏感地捕捉不同作物特有的生长特性及物候差异。 该研究结果可为机器学习方法及Sentinel 2A卫星在干旱区农业遥感的应用提供参考。
机器学习 随机森林 农作物分类 地块基元 红边波段 Machine learning Random forest Crop classification Parcel data set Red-edge 光谱学与光谱分析
2018, 38(10): 3169
1 广西大学物理科学与工程技术学院, 南宁 530004
2 广西相对论天体物理重点实验室, 南宁 530004
针对大角度的高速光扫描, 利用三角形畴反转结构的电光偏转性质, 设计了一种大角度电光偏转器, 由1个抛物形和10个半抛物形畴反转结构偏转器级联组成。通过对抛物形和半抛物形偏转器的参数优化, 得到了该电光偏转器的优化结构, 设计完成的级联偏转器整体尺寸为130.0 mm×16.0 mm×0.5 mm(长×宽×高), 当施加电场为±10.09 V/μm时, 偏转器扫描范围为±30.6°。利用光束传播法(BPM)对偏转器进行了性能仿真,仿真表明在修正电压下, 偏转器很好地实现了大角度的电光偏转功能, 仿真结果与理论分析相符合。
电光偏转器 畴反转结构 大角度扫描器 光束传播法 electro-optic deflector domain inversion large-angle scanner beam propagation method
广西大学 物理科学与工程技术学院, 南宁 530004
采用严格耦合波理论，数值计算了不同参量下周期性极化铌酸锂晶体的电光衍射性质.研究表明：周期性极化铌酸锂晶体的周期性畴反转结构在电场的作用下相当于折射率衍射光栅，衍射性质和晶体的几何结构、周期、施加电场和入射角密切相关.以布喇格角度入射并满足布喇格衍射条件时，0级衍射光能量随施加电场的增大周期性地转化到－1级的衍射光中，最大转化效率达100%，增大周期性极化铌酸锂晶体的长度可以有效地降低转换电压值；以布喇格角度入射但光传输不满足布喇格衍射条件时，0级衍射光和－1级衍射光不能进行100%的能量转换，同时调制的周期性受到破坏.以布喇格角的倍数角入射时，0级光能量可以转化到相应的其他较高衍射级次，其中奇倍数衍射级的最大转换效率可达100%.研究结果为基于PPLN的集成电光器件设计提供有价值的参考.
周期性极化铌酸锂 电光效应 耦合波理论 布喇格衍射 衍射性质 Periodically poled lithium niobate Electro-optical effect Coupled wave theory Bragg diffraction Diffraction properties
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Abstract
We report the direct fabrication of a microfluidic chip composed of two high-aspect ratio microfluidic channels with lengths of 3.5 cm and 8 mm in a glass substrate by femtosecond laser micromachining. The fabrication mainly consists of two steps: 1) writing microchannels and microchambers in a porous glass by scanning a tightly focused laser beam; 2) high-temperature annealing of the glass sample to collapse all the nanopores in the glass. Migration of derivatized amino acids is observed in the microfluidic channel by applying electric voltage across the long-migration microchannel.
220.4000 Microstructure fabrication 230.4000 Microstructure fabrication Chinese Optics Letters
2013, 11(7): 072201
Author Affiliations
Abstract
A systematic series of silicon (Si) wafer with microstructured anti-reflection film is prepared by femtosecond laser pulse. The dependence of the morphology and optical properties of the microstructured Si on the experimental parameters is thoroughly investigated. With the laser pulse duration of 40 fs, central wavelength of 800 nm, repetition rate of 250 kHz, laser pulse power of 300 mW, 250 \mu m/s scanning speed, and 2 \mu m of displacement between the parallel scans in the air, the quasiordered arrays of grain microstructures on the Si wafer up to 800-nm tall and 800-nm diameter at the bottom offered near-unity transmission in the mid-infrared wavelength. An anti-reflection film of approximately 3 \times 3 (mm) is developed on the (211) Si substrate with the optimized parameters, Moreover, up to 30% improvement of the response performance is demonstrated.
310.0310 Thin films 310.1210 Antireflection coatings 310.6628 Subwavelength structures,nanostructures 320.7160 Ultrafast technology Chinese Optics Letters
2013, 11(3): 033101
