1 中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院大学光电学院，北京 100049
3 电子科技大学自动化工程学院，四川 成都 610054
缺陷检测是基于金属膜层激发表面等离子体进行超衍射加工前的重要工艺流程，但目前先进空白晶圆缺陷检测设备光源多位于深紫外波段，恰好在KrF等深紫外光刻胶的感光范围内，检测带有该光刻胶的晶圆表面时易导致光刻胶感光而改性失效。针对此问题，笔者提出并设计了一种基于可见光波段的激光偏振暗场检测装置。该装置利用晶圆表面顶层银膜的偏振转换特性，通过调控入射光的偏振态与入射角，使微粗糙银膜表面的弱散射光偏振态与膜层表面颗粒的散射光偏振态产生差异，然后利用偏振器件对来自银膜表面的散射光进行部分滤除，有效提高了颗粒信号的信噪比。实验结果表明：所设计的装置在不影响光刻胶的同时还可以减少金属膜层表面散射所带来的缺陷误检。在对百纳米级颗粒进行检测时，由于使用了激光照明及高灵敏度的sCMOS作为探测器件，本装置单次曝光时间仅为150 μs，是奥林巴斯公司基于白光的DSX1000暗场显微镜的4‰左右。通过抑制噪声，笔者采用该装置实测了均方根（RMS）粗糙度为3.4 nm的银膜表面上直径为61 nm的聚苯乙烯乳胶颗粒，结果显示，该装置在探测极限和探测效率上较DSX1000均有较大提升。
测量 光学检测 散射测量 表面粗糙度 偏振调控 纳米颗粒 信噪比 中国激光
2023, 50(22): 2204003
利用共沉淀法制备了六角相NaScF4∶20%Yb3+/2%Er3+纳米颗粒, 该纳米颗粒的尺寸约为35 nm且具有较好的分散性。在980 nm激发下, 该纳米颗粒可以产生较强的上转换红光发射及较弱的上转换绿光发射, 红绿比约为6。与此同时, 在纳米颗粒中, Er3+热耦合的绿光能级2H11/2与4S3/2具有较好的温度感测特性, 利用其荧光强度比可实现较为准确的光学温度测量, 最大相对灵敏度约为1.17%·K-1。另外, 在近红外区, 非热耦合的Yb3+:2F5/2→2F7/2跃迁与Er3+:4I13/2→4I15/2跃迁的荧光强度比也表现出较好的光学测温性能, 其相对灵敏度随着温度升高而逐渐增大, 并在333 K时达到最大值0.73%·K-1。以上结果表明, NaScF4∶20%Yb3+/2%Er3+纳米颗粒是一种高效的上转换红光材料, 且在可见区及近红外区均具有较好的光学测温表现。
稀土离子 纳米颗粒 上转换发光 光学测温 rare earth nano particles upconversion optical thermometry NaScF4 NaScF4
1 河北大学 物理科学与技术学院, 河北 保定 071002
2 西北大学 光子学与光子技术研究所, 陕西 西安 710069
稀土掺杂上转换发光材料的荧光强度通常会随着温度上升而呈现明显的热猝灭现象, 这对其在温度传感、防伪、显示等方面的应用产生了极大的障碍。最近, 研究人员在实验中发现了上转换发光强度随温度升高而增强的特殊现象, 并开展了大量工作揭示其内在机理以及可能影响热增强效应的因素。上转换热增强效应的机理探究和优化对于未来开发新型的稀土上转换发光材料提供了新颖的思路, 也为稀土上转换发光材料的应用研究奠定了基础。本文对荧光热增强型稀土掺杂上转换发光材料的最新研究进展进行了简单总结和梳理, 主要介绍了荧光热增强效应的内在机理以及潜在应用, 并展望了未来研究中所面临的机遇和挑战。
稀土发光材料 荧光热增强 上转换发光 纳米材料 rare-earth doped luminescence materials thermal enhancement of luminescence up-conversion nano-particles
1 南开大学 电子信息与光学工程学院 现代光学研究所，天津300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津，300350
3 天津市光电传感器及传感网络技术重点实验室，天津，0050
4 上海工程技术大学 数理与统计学院，上海201620
5 南京师范大学 计算机与电子信息学院，南京210023
6 东南大学 先进光子学中心，南京21009
7 山东师范大学 光场调控与应用协同创新中心，济南250358
基于麦克斯韦应力张量理论，对多边形金纳米粒子在聚焦场下的光力特性进行了研究。以三角形金纳米粒子为例，从粒子在聚集场中的受力情况出发，分别研究了具有圆对称能量分布的聚焦场和具有三角形能量分布的聚焦场对三角形金纳米粒子的捕获特性。研究结果表明，当使用圆对称聚焦场时，可对边长为50~350 nm的三角形金纳米粒子实现稳定捕获；当使用三角形聚焦场时，在粒子以和聚焦场形状匹配的角度进入聚焦场的情况下，可对边长为100~350 nm的三角形金纳米粒子实现稳定捕获。将圆对称聚焦场和三角形聚焦场对三角形金纳米粒子的捕获特性进行比较，发现三角形聚焦场在x方向的捕获力要强于圆对称聚焦场；而在y方向，三角形聚焦场对粒子的捕获范围要大于圆对称聚焦场。该工作研究了三角形的金属纳米粒子在不同形状聚焦场下的光力捕获特性，为基于非球形金属粒子的光学操纵在拉曼光谱超分辨成像、粒子微加工等领域的应用奠定了理论基础。
光镊 三角形金纳米粒子 径向矢量光场 紧聚焦 光力 Optical tweezers Triangular gold nano-particles Radially polarized beam Tightly focusing Optical force
1 四川大学 电子信息学院, 成都 610065
2 西南技术物理研究所, 成都 610041
为了探究激光等离子体冲击波清洗过程中微纳颗粒的物态变化特性, 针对单晶硅表面 Al 微纳颗粒进行了清洗实验；结合等离子体传播规律与有限元法模拟了颗粒内部的应力和温度变化情况, 得到了颗粒相变和演化的规律。结果表明, 大颗粒与中颗粒数量明显减少, 尺寸由原来的0.5μm～3μm变为0.1μm～1μm；颗粒的物态变化主要是冲击波瞬时高温高压作用所致, 颗粒内最大应力达到1GPa, 最大温度达到1100K；颗粒在冲击波作用下发生了破裂与相变, 细小颗粒数量增多并粘附在样品表面, 增大了清洗难度。此研究可为激光清洗颗粒的理论和应用提供参考。
激光技术 激光等离子体 微纳颗粒 物态变化 有限元分析 laser technique laser plasma micro-nano particles physical change finite element analysis
1 西安邮电大学电子工程学院, 陕西 西安 710121
2 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室, 陕西 西安 710119
稀土掺杂上转换发光微纳粒子在防伪识别方面有着巨大的应用前景。 首先采用水热合成法制备了NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子, 通过X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)及透射电子显微镜(TEM)对NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子的尺寸、 形貌和结晶度等方面进行了研究, 同时使用980 nm的泵浦源对NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子的发光性能进行了分析; 其次将NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子与酒精按一定比例混合制成丝网印刷剂, 结合网络定制的丝网模版在纸上印制了不同字样的防伪图案, 风干后将字样暴露在980 nm的激光辐照下, 并使用相机对其进行成像研究; 最后将印制的字样分成两部分, 一部分保存在室内25 ℃恒温环境下, 另外一部分保存在冬季一月份室外自然环境下, 保存地点均为西安市, 一周后对不同环境下的字样再次使用完全相同的实验仪器进行成像测试。 实验及测试结果显示, NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子与NaYF4标准卡的衍射峰完全一致, 没有其他杂质产生; 实验合成的微纳粒子外形均为六方体, 且平均长度和横截宽度分别为209和175 nm, 微纳晶体表面光滑、 无缺陷、 未弯曲、 结晶度较高、 分散性较好, 电子衍射环与NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子的312, 300和302晶面相对应; NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子受掺杂离子的影响, 在不同的能级跃迁下分别产生蓝、 绿、 黄、 红四种可见光, 通过对NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子荧光光谱分析, Eu3+非对称性比率约为1, 表明磁偶极子跃迁与电偶极子跃迁相当; NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子制成的丝网印刷剂在不同环境下成像结果良好均清晰可见、 容易辨识, 但受存放环境影响, 室内成像结果与最初的成像结果相比变化不大, 室外所有成像字符受到自然环境下水汽的影响, 亮度均略有下降, 但仍能识别。 成像结果表明, 所制备的NaYF4∶Yb3+/Eu3+微纳粒子在防伪识别方面具有稳定性、 可靠性等特点, 但仍受到影响程度可控的自然环境因素影响。 综合来看, 其在防伪识别方面有着很大的应用前景。
上转换发光 水热合成法 防伪识别 丝网印刷 微纳粒子 Upconversion luminescence Hydrothermal synthesis Anti-counterfeiting identification Screen printing Micro-nano particles 光谱学与光谱分析
2021, 41(5): 1525
清华大学机械工程系摩擦学国家重点实验室, 北京 100084
采用脉冲激光沉积方法在待连接母材表面沉积制备无有机物的银微纳颗粒复合薄膜,用该薄膜作为中间层低温烧结连接SiC芯片与金属化陶瓷基板。将连接接头置于大气、真空及氧气含量可控环境进行300 ℃高温存储实验,系统研究了保温环境对接头多孔连接层的组织演变和性能影响规律。结果表明:保温2000 h以内,接头在室温下的剪切强度均高于20 MPa且明显高于美国军标。大气环境保温0~400 h期间,连接层内部孔隙逐渐聚集并导致组织致密化,接头强度提升;保温400~2000 h期间的孔隙聚集与扩大导致孔隙率明显增加,强度逐渐下降。真空环境对连接层内孔隙演变存在阻碍作用。保温环境的氧浓度提升可加速烧结连接层组织在高温存储过程中的演变进程。
激光技术 材料 银微纳颗粒复合薄膜 脉冲激光沉积 低温烧结连接 高温可靠性
1 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
2 北京市激光应用技术工程技术研究中心, 北京 100124
提出了一种结构简单、易准直、能探测单个微纳颗粒的激光自混合干涉(SMI)探测方法。建立了单个颗粒产生的激光SMI信号模型,理论分析了干涉信号的特征,搭建了微流控颗粒探测系统。采用自主开发的LabVIEW程序进行聚苯乙烯颗粒的探测实验和信号采集,并从时域和频域两方面分析了单个粒子的直径。结果表明,本方法能有效探测和区分直径为0.5~10 μm范围内的聚苯乙烯微球颗粒。
激光自混合干涉 微流控芯片 微纳颗粒 光学探测 激光与光电子学进展
2020, 57(19): 192803
1 Chemistry Department, Faculty of Science, Taif University, P.O. Box 888, Al-Hawiah, Taif 21974, Saudi Arabia
2 Department of Chemistry, Faculty of Science, Port Said, Port Said University, Egypt
3 College of Science, Princess Nourah Bint Abdulrahman University, Department of Chemistry, KSA
