红外长余辉技术在生物成像探测及夜视保密探测等领域有着广阔的应用前景。本文结合该领域近期的一些进展, 对红外长余辉的定义、发光离子的选择、发光动力学过程以及红外长余辉激发谱学技术等几方面进行了简要阐述。在阐述过程中也着重指出了红外长余辉领域今后的几个可能学术研究方向。

相较于蓝绿光长余辉材料, 近红光长余辉材料不仅种类少, 其性能也相对较差。本文探索基于余辉能量传递的机理, 实现将绿光长余辉材料SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+的余辉能量传递给近红外光长余辉材料LiGa5O8∶Cr3+, 以此来增强LiGa5O8∶Cr3+的余辉性能。实验首先采用高温固相法分别合成SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+和LiGa5O8∶Cr3+, 然后再按不同的质量比例混合均匀, 最后测试混合材料的余辉光谱性能。实验结果表明, 与SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+混合后, 来自于LiGa5O8∶Cr3+的718 nm近红外余辉增强; 不同比例下混合后LiGa5O8∶Cr3+的余辉光谱增强效果不一, 其中两者比例为1∶1时, 能量传递效率最佳, LiGa5O8∶Cr3+的余辉最强。最后在监测LiGa5O8∶Cr3+的余辉718 nm的热释曲线中呈现了明显的SrAl2O4∶Eu2+,Dy3+的热释峰, 是两者之间存在能量传递的重要证据。该结果阐明了两种长余辉材料间余辉能量传递的可行性, 为改善近红外长余辉材料余辉性能提供了一种有潜力的方法。

利用原位还原法成功制备了尺寸均一、超薄完整金壳包覆的NaYF4∶Yb,Er@SiO2@Au(NSA)纳米结构, 其XRD、TEM、EDX、HRTEM-HAADF、Mapping及吸收光谱表征结果表明, SiO2壳及纳米金壳的平均厚度分别约为5 nm和2 nm。在980 nm连续激光激发下, 系统研究了核壳结构的上转换荧光强度与氯金酸浓度的依赖关系。稳态光谱结果显示, NSA与仅SiO2包覆样品(NS)相比Er3+的红绿荧光强度均增强了～2.8倍。通过分析上转换荧光动力学过程及利用FDTD方法模拟, 讨论了表面等离激元增强上转换荧光的机制。

计及量子点厚度下, 分别选取抛物势和高斯势描写盘型量子点中电子的横向束缚势和纵向束缚势, 采用Pekar类型变分法推导出量子点中极化子的基态和第一激发态能量本征值和本征函数, 以此为基础, 构造了一个二能级结构, 并基于二能级体系理论, 讨论了极化子在外电场作用下的量子跃迁问题。结果表明, 高斯束缚势比抛物束缚势更能精准反映量子点中真实的束缚势; 量子点的厚度对极化子的跃迁几率Q所带来的影响有趣且有实际意义,不可忽略; 电声耦合强度α、电场强度F、非对称高斯势的势垒高度V0和束缚范围L等对极化子的基态与第一激发态能量以及量子跃迁的影响显著; 本文的结果有助于探讨利用这些物理量来调控量子点的输运特性和光学性质的途径和方法。

采用高温熔融法制备了适用于钾钠离子交换波导的钬离子掺杂铝锗酸盐玻璃, 并对热离子交换玻璃样品的波导折射率分布和红外光谱特性进行了表征。实验结果表明, 在390 ℃的KNO3熔盐中热离子交换4 h时, 波导玻璃折射率最大改变量为0.006 9, K+-Na+热离子交换有效扩散深度为7.802 μm, 有效扩散系数达0.063 μm2/min。K+-Na+离子交换有效扩散系数比磷酸盐玻璃低, 与MP19硅酸盐玻璃相当, 但明显高于BK7玻璃和硼硅酸盐玻璃, 其热离子交换过程易于控制。在644 nm泵浦光下可观察到Ho3+归属于5I6→5I8的1.196 μm近红外有效发射, 最大受激发射截面为2.30×10-21 cm2。当Ho3+在5I6能级的分数因子超过0.6时, 增益截面达10-21 cm2量级以上。有效的近红外荧光发射和稳定的波导性能表明钬掺杂铝锗酸盐玻璃是~1.2 μm波导激光器潜在的增益介质。

为了丰富介质阻挡放电系统中斑图的多样性, 利用双水电极介质阻挡放电装置, 在空气和氩气按一定比例混合的气体中(氩气含量χ=25%), 发现了带晕蜂窝六边形斑图。通过观察用普通相机拍摄的斑图照片, 可以发现斑图是由中心点、晕和蜂窝框架构成, 且中心点位于晕的中心, 中心点和晕嵌套在蜂窝框架的中心。采用带有3个通道的高速照相机对斑图进行分脉冲瞬态拍摄, 结果显示带晕蜂窝六边形斑图的3套子结构在外加电压的半周期内, 总是按照晕-蜂窝框架-中心点这样的顺序放电。运用光电倍增管对这3套子结构进行研究, 发现晕的放电在时间和空间上具有局部选择性。利用发射光谱法, 根据氮分子第二正带系(C3Πu→B3Πg)谱线计算了中心点、晕和蜂窝框架的分子振动温度, 结果显示: 中心点的分子振动温度为2 632 K, 晕的分子振动温度为2 679 K, 蜂窝框架的分子振动温度为2 720 K。本文利用壁电荷理论解释带晕蜂窝六边形斑图的形成机制和时空结构。

为了在激光防伪领域提高上转换材料的发射强度, 采用高温固相法制备Al3+、Ba2+掺杂YF3∶Er3+, Yb3+材料。Al3+、Ba2+都会引起主晶格收缩现象, 降低稀土离子周围局部晶体场对称性, 增大4fN内跃迁几率。由980 nm激发的上转换发射光谱可知, Al3+掺杂摩尔分数为1.7%时, 548 nm绿光和660 nm红光发射强度分别是不含Al3+样品的1.1 倍和1.4 倍; Ba2+掺杂摩尔分数为0.8%时, 绿光和红光强度分别是不含Ba2+样品的2.8 倍和2.2 倍。并通过X射线衍射(XRD)探讨Ba2+含量对晶相的作用。通过差热分析(DTA)、发射光谱、XRD、扫描电子显微镜(SEM), 对于最佳掺杂比例样品, 烧结温度为955 ℃时发光性能、结晶度、晶粒生长较好。通过荧光寿命曲线以及上转换发射强度与激发电流的拟合结果, 探讨548 nm绿光和660 nm红光的发光机理, 并阐述980 nm激发YF3∶Er3+, Yb3+材料的能级跃迁过程。

利用1,6-二(三氯甲硅烷基)己烷(C6-Si)交联的聚甲基丙烯酸甲酯(C-PMMA)修饰聚乙烯醇(PVA)绝缘层(C-PMMA/PVA), 并研究了修饰前后绝缘层的表面性质和电学性能。结果表明: 经C-PMMA修饰后, 虽然绝缘层表面粗糙度从0.386 nm增加到0.532 nm, 电容由14.2 nF/cm2减小到11.5 nF/cm2, 但绝缘层的水接触角显著变大, 从36°增加到68°, 表明修饰后表面极性显著下降; 此外, C-PMMA修饰的绝缘层的漏电流密度降低了约2个数量级。用纯PVA和C-PMMA修饰的PVA两种绝缘层制备了具有底栅顶接触结构的3-己基噻吩(P3HT)有机薄膜场效应晶体管, C-PMMA修饰PVA后器件性能显著提高, 开关比提高了约20倍, 迁移率增大了约4倍, 分别达到~102 cm2·V-1·s-1和3.3×10-2 cm2·V-1·s-1, 而且回滞现象明显降低。

本文提出了一种采用铟镓锌氧化物(IGZO)薄膜晶体管(TFT)的有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器的新型补偿结构。它利用数据线关闭电源和驱动晶体管之间的控制晶体管, 以抑制编程期间的泄漏电流。在所提出的电路和传统电路之间进行电路性能的比较, 表明所提出的像素电路可以有效地补偿驱动晶体管的阈值电压偏移和迁移率变化。当VTH飘移2 V和μ增加30％时, IOLED误差率可以分别降低至小于5％和9％。此外, 由于使用同时驱动方法, 因此所需的最小编程时间可以被详细推导出来。所提出的像素电路的编程能力和机制已经通过FPGA平台和离散的场效应器件所证实。尽管所提出的像素电路具有非常简单的驱动结构, 但它能够提高补偿精度。

为了验证采用金属单质靶与硫属化合物靶混合溅射法制备Cu2SnS3(CTS)薄膜及太阳电池的可行性, 在镀钼的钠钙玻璃上通过磁控溅射Sn和CuS靶制备CTS预制层后, 再经过低温合金化和高温硫化过程制备CTS薄膜, 研究了硫化过程中不同升温速率对CTS薄膜表面形貌的影响。采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)及配属的能谱仪(EDS)、拉曼散射(Raman)对薄膜的晶体结构、表面和截面形貌、薄膜组分、物相进行表征分析, 利用紫外-可见光光度计和霍尔测试系统表征了薄膜的光电特性。在硫化升温速率为35 ℃/min的条件下, 获得了表面致密平整且纯相的单斜结构CTS薄膜, 并用CTS薄膜制备了太阳电池。随后在标准测试条件(AM1.5, 100 mW/cm2, 300 K)下采用KEITHLEY的2400数字源表测试了电池的I-V特性, 其开路电压为299 mV, 短路电流密度为16.6 mA/cm2, 光电转换效率为1.18%。结果表明, 采用磁控溅射金属单质靶Sn与硫属化合物靶CuS有望制备出高效CTS薄膜太阳电池。

由于镉在环境中具有高毒性和生物蓄积性, 对人体和环境会产生巨大的危害, 因而测定其在环境中的浓度是十分必要的。本研究基于镉(Ⅱ)-蛋白质-刚果红体系的共振瑞利散射和共振非线性散射光谱建立了测定环境水样中微量镉(Ⅱ)的新方法。在pH=4的BR缓冲溶液中, 镉(Ⅱ)与牛血清白蛋白溶液及刚果红溶液反应生成三元离子缔合络合物, 使该体系中的共振瑞利散射(RRS)、二级散射(SOS)和倍频散射(FDS)信号明显增强, 其最大散射波长分别位于波长560 nm(RRS)、690 nm(SOS)和352 nm(FDS)处。在优化的实验条件下, ΔI与镉(Ⅱ)浓度在一定范围内呈现良好的线性关系, 检出限分别为0.31 μg/L(RRS)、0.29 μg/L(SOS)、0.34 μg/L(FDS)。将该方法用于实验室废水、涪江河水和农夫山泉中镉(II)的测定, 水样中镉(Ⅱ)的回收率在93.2%~107.7%之间, 相对标准偏差在0.8%~3.1%之间, 取得了较理想的结果。

利用数值模拟对扩散非线性机制下由光折变表面波诱导的薄层波导中导模的形成和特点进行了研究。采用分布傅里叶法对导模的传输特性进行了模拟。通过求解本征方程, 对光折变表面波诱导的薄层波导中存在的导波模式进行了数值求解。通过调节传播常数和波导参数的方法, 可以控制导模的阶数和传播波形。随着阶数的增加, 导模轮廓的对称性越来越差; 随着波导参数的增加, 导模的峰值振幅单调递增。导模的能量主要聚集在晶体薄层波导中靠近-c轴的一侧, 随着传播常数的增大, 导模能量先减小后增大, 且导模可以稳定传播。

把包裹SiO2的金纳米棒(Au NRs@SiO2)掺杂到有机太阳能电池的活性层中, 利用表面等离子体共振效应来增强活性层对光的吸收, 从而提高有机太阳能电池的能量转换效率。研究了不同掺杂浓度和不同包裹厚度对电池性能的影响。结果表明, 掺杂浓度为1.5%时, 器件性能最佳, 能量转换效率达到4.02%; SiO2壳层厚度为3 nm时, 转换效率达到4.38%, 较标准电池提升了29.2%。

2 μm掺钬固体激光器的输出波长处在大气窗口和人眼安全区, 在激光雷达、激光测距、光电对抗和激光医学等方面都有重要应用, 因此在2 μm固体激光器研究领域中成为一个研究热点。 本文介绍了2 μm掺钬固体激光器能级系统及常用的掺钬晶体, 并对基于这些晶体的钬激光器研究进展进行了综述, 最后对2 μm钬固体激光器的未来发展方向等进行展望。

为了突破多单发射区半导体激光器光纤耦合模块设计过程中空间合束法遇到的合束功率及光功率密度无法上升的瓶颈, 得到多单发射区半导体激光器光纤耦合模块更优参数的光束输出, 同时完成单一激光器光纤耦合模块泵浦多种激光器的目标, 结合ZEMAX光学设计软件及Solidworks工程设计软件设计并制作了一种由6支、可输出2种波长分别为915 nm及974 nm的单发射区半导体激光器组成的光纤耦合模块。该模块的实现过程包括微透镜光束快慢轴整形、空间合束、波长合束、光路转向及聚焦, 最终耦合进数值孔径为0.22、光纤芯径为105 μm的普通光纤, 测试结果表明该模块光纤输出光功率达到了46 W, 2种波长均在光纤输出光束中检测到, 且光纤耦合效率高于83%。使用ANSYS软件对模块进行散热分析, 结果显示, 模块正常使用后最高温升至37 ℃, 在正常使用温度范围内, 表明模块的散热性能良好, 具备实际应用的可行性。

为了探究VO2薄膜受激光辐照的温度场分布, 以及1 064 nm激光直接辐照100 s内至相变的激光功率密度阈值, 并比较近红外和中红外波段透过率调制特性差异。首先基于COMSOL建立了薄膜受激光辐照的模型并进行了温度场仿真, 然后分别测试了薄膜正反面被不同功率密度的1 064 nm激光辐照100 s内激光透过率随时间响应特性。实验中的VO2薄膜利用分子束外延法在Al2O3基底上制备得到。仿真结果表明, 激光功率密度为25 W瘙
簚mm-2时,50 nm厚薄膜在被辐照1 ms时间内即达到相变温度。经激光辐照实验发现: 50 nm厚的VO2薄膜正反面受1 064 nm激光直接辐照100 s内至相变的功率密度阈值分别为4.1 W瘙
簚mm-2和5.39 W瘙
簚mm-2。30 nm厚VO2薄膜对1 064 nmn激光的透过率调制深度约为13%, 对3 459 nm激光透过率调制深度约62%, 说明VO2薄膜对近红外透过率调制特性不明显。

FAPbI3有机无机杂化钙钛矿光电探测器还存在一些问题, 合成纯α相光敏钙钛矿需要较高的退火温度(150~160 ℃), 不利于柔性器件的制备; 另外, 在常温下, FAPbI3容易发生α→δ的相变, 器件的空气稳定性很差。本文制备了Cs掺杂的二极管型FA1-xCsxPbI3光电探测器。结果表明, Cs的掺杂一方面有效降低了合成纯α 相FA钙钛矿的退火温度, 另一方面提高了器件性能以及空气稳定性。对比不同Cs掺杂浓度的器件性能, 发现掺杂摩尔分数为10%时, 器件性能最优, 其开关比可达1.6×105, 响应速度达到7.1 μs, 在350~800 nm宽光谱范围内探测率都在1012 cm·Hz1/2·W-1(Jones)量级。本研究为实现低温制备高性能高稳定性的FA钙钛矿光电探测器提供了一条可行的途径。

为增加可调谐激光器的波长调谐范围, 提高系统的可靠性和稳定性, 基于液晶的电控双折射特性, 设计了一种中心波长为852 nm的内腔液晶可调谐垂直腔面发射激光器结构。分析了该结构获得宽范围波长调谐和单偏振稳定输出的物理原理, 利用传输矩阵法进一步计算整个器件下不同液晶层厚度所对应的反射谱, 得出不同液晶厚度和折射率下激光器的激射波长。结果表明, 液晶可调谐激光器单偏振波长调谐范围达到31 nm, 调谐效率大于10 nm/V。

针对以往卷烟产品质量监控效率低、时间长、缺少可视化结果展示等问题, 将近红外光谱分析技术应用到产品稳定性控制中, 提出了一种指纹图谱特征提取新方法。首先将卷烟近红外光谱进行主成分降维, 并以雷达图可视化形式描述产品质量稳定性趋势, 保证了图谱数据整体性与模糊性的统一。进而对包含样本全局信息的图形重心特征进行提取, 实现了对样本间内部结构的展示, 并建立了质量稳定性及异常类型的判别模型。实验结果表明, 和其他方法相比, 该特征提取方法取得了更好的识别效果, 可用于卷烟产品质量监控和真伪鉴别中。

银纳米离子的SERS技术和SEF技术的信号检测灵敏度非常高, 可以用在微流控芯片的定量分析中。为了提高微流控芯片光学检测技术的检测精度, 提出一种在微通道中添加银纳米粒子来增强SYBR GreenⅠ拉曼和荧光信号的方法, 并对该方法的原理和增强效果进行了研究。首先, 利用准分子激光器在PMMA基板上直写刻蚀出宽200 μm、深68 μm的微通道, 接着将制备的银前体溶液加入微通道, 通过加热制备出表面增强拉曼(SERS)和表面增强荧光(SEF)基板, 接下来对添加银纳米粒子前后的拉曼和荧光信号分别进行对比, 进一步研究了微通道中不同浓度银纳米粒子对SYBR GREEN I的拉曼和荧光信号增强效果。添加银纳米粒子后, 表面增强拉曼(SERS)实验的增强因子为3.5×103, 添加银纳米粒子的样品的荧光信号强度与不含银纳米粒子样品的荧光信号强度相比, 约增加了1倍。结果表明, 在微通道中检测SYBR Green I时通过增加银纳米粒子显著地增强了拉曼和荧光信号, 这种方法可以用在以SYBR GreenⅠ做染料的微流控芯片检测技术中。

为实现油料火灾的及时预警, 对92#汽油燃烧初期火焰光谱特征进行了实验研究, 以探索基于光谱技术的火灾识别和防控。分析了火焰中具有特征谱峰的分子、自由基, 说明了其生成机理, 发现了火焰特征光谱的分布范围, 阐述了不同波段基团光谱强弱的原因, 基于基团光谱强度的变化分析了燃烧过程。结果表明, 可用于燃烧初期识别的分子、自由基及其特征光谱为C2基512.9, 516.5, 547.0 nm谱带, CH基431.4 nm谱带, H2O分子927.7, 933.3 nm谱带; 特征光谱主要位于可见光区和近红外光区, 紫外光区较少; 处于链引发和传递阶段的基团不易产生积累, 光谱强度相对小, 处于链反应分支和中断阶段的基团能够积累, 光谱强度相对大; 分子、自由基的特征光谱强度会随着燃烧的进行而变化, 在燃烧达到稳定期后, 其独特性消失。