1 上海理工大学太赫兹技术创新研究院，上海 200093
2 南开大学现代光学研究所，天津 300350
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
飞秒激光成丝辐射太赫兹波兼具宽频带和高强度特性，其物理机制研究已成为近年来的前沿课题。在此领域，本课题组发现太赫兹波沿激光等离子体光丝被限制在亚波长空间尺度内进行传输，即“太赫兹波空间强束缚效应”，并据此提出了能够全面阐述太赫兹波辐射机理的三过程模型，为统一当前主流宏观与微观理论、化解相关文献中重要结论的矛盾奠定了基础。本文以太赫兹波空间强束缚效应为中心，综述了本课题组近年来的一系列研究工作，包括实验探测技术、物理机理解释及多项创新应用等，并对未来的工作进行了展望。
中国激光
2023, 50(17): 1714010
Author Affiliations
Abstract
1 School of Integrated Circuits, Peking University, Beijing 100871, China
2 Beijing Advanced Innovation Center for Integrated Circuits, Beijing 100871, China
3 Key Laboratory of Optoelectronics Technology, Ministry of Education, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
The finding of the robust ferroelectricity in HfO2-based thin films is fantastic from the view point of both the fundamentals and the applications. In this review article, the current research status of the future prospects for the ferroelectric HfO2-based thin films and devices are presented from fundamentals to applications. The related issues are discussed, which include: 1) The ferroelectric characteristics observed in HfO2-based films and devices associated with the factors of dopant, strain, interface, thickness, defect, fabrication condition, and more; 2) physical understanding on the observed ferroelectric behaviors by the density functional theory (DFT)-based theory calculations; 3) the characterizations of microscopic and macroscopic features by transmission electron microscopes-based and electrical properties-based techniques; 4) modeling and simulations, 5) the performance optimizations, and 6) the applications of some ferroelectric-based devices such as ferroelectric random access memory, ferroelectric-based field effect transistors, and the ferroelectric tunnel junction for the novel information processing systems.
ferroelectricity HfO2-based thin films physical mechanism characterization modeling and simulation applications Journal of Semiconductors
2023, 44(5): 053101
1 长沙学院电子信息与电气工程学院，湖南 长沙 410003
2 国防科技大学理学院，湖南 长沙 410073
利用强激光与等离子体相互作用产生的频谱特性可调谐的高次谐波辐射（HHG）一直是国内外研究的热点。利用二维粒子模拟程序对超强超短激光脉冲驱动等离子体波导激发的高次谐波的辐射特性与相关电子动力学行为进行了研究，讨论了驱动激光强度、等离子体密度等关键参数对所产生谐波的转换效率与椭偏率的影响与调控规律，并根据Baeve-Gordienko-Pukhov（BGP）理论分析了其内在物理机制。该研究为开发高亮度、超短超快、圆偏振、深紫外及软X射线波段台面型辐射源提供了新的技术途径，进而有望在超高灵敏度、超快速的物质手性检测手段的研发方面起到积极促进作用。
激光光学 强激光 等离子体波导 高次谐波 辐射特性 物理机制 光学学报
2022, 42(21): 2114001
1 兰州理工大学理学院物理系, 甘肃 兰州 730050
2 西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃 兰州 730070
3 南京信息工程大学大气物理学院, 江苏 南京 210044
4 山西师范大学物理与信息工程学院, 山西 临汾 041004
闪电回击通道核心中的大电流及其强电磁辐射是引发多种雷电灾害的主要根源。 随着现代科技的飞速发展, 闪电防护工作显得越为重要。 为了完善闪电防护系统, 需要从描述闪电回击通道核心的特征参数入手深入研究闪电通道形成和发展过程的微观物理机制。 截至目前, 光谱观测是获取闪电通道核心特征参数的最佳手段。 2015年夏天在青海高原地区的野外试验中, 利用由高速摄像机作为记录系统组装的无狭缝光栅摄谱仪, 结合快天线地面电场测量仪, 记录到一次包括四个回击的云地闪电放电过程的光谱以及与之同步的快电场变化信息。 依据光谱, 结合等离子体理论计算得到闪电回击通道核心的电导率。 在此基础上, 应用闪电电动力学模型计算了闪电回击速度、 峰值电流、 贯穿通道核心的电磁场以及通道核心单位长度的峰值功率等特征参数。 结果表明, 回击速度在(1.2~2.3)×108 m·s-1的范围内; 贯穿回击通道核心的轴向电场、 径向电场和磁感应强度的最大值分别在(1.42~1.74)×105 V·m-1, (8.22~9.99)×108 V·m-1和(1.51~2.83) T的范围内。 当闪电回击的峰值电流在(7.52~24.05) kA的范围内时, 回击通道核心的峰值功率在(0.63~1.92)×109 W·m-1的范围内。 另外, 分析了电导率、 起始电场峰值、 回击速度和峰值电流与峰值功率之间的相关性, 结果发现峰值电流和峰值功率具有良好的线性关系。 研究结果可为探索闪电回击通道形成和发展过程的微观物理机制提供参考依据。
闪电光谱 回击通道核心 特征参数 物理机制 Lightning spectrum Return stroke channel core Characteristic parameters Physical mechanism 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3269
1 上海飞机制造有限公司，上海 201324
2 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001
针对表面涂有150 μm厚环氧基底漆涂层的2024铝合金，采用不同脉冲频率的纳秒脉冲激光进行激光清洗试验，分析了激光清洗后试样的表面形貌、表面粗糙度、清洗厚度以及清洗机理等。试验结果表明：表面粗糙度（Ra）受频率的影响较小且在3 μm左右。计算了不同脉冲频率下的清洗深度，结果发现，当频率为10 kHz时，清洗深度约为130 μm。通过数值模拟分别研究了激光清洗过程中脉冲频率对烧蚀机制中烧蚀量和剥离机制中热应力的影响。数值模拟结果表明：烧蚀量随着频率的增大而降低，在5~25 kHz范围内烧蚀量的最大降幅超过9%；通过最大热应力与脉冲能量密度的线性拟合计算得到剥离机制的触发阈值约为1.64 J/cm2；在脉冲能量密度高于1.64 J/cm2的条件下，频率越高，越难积热，从而使得烧蚀机制越弱；越大的频率使得热应力超过结合力的频次更多，剥离机制增强，能获得更好的清洗效果。
激光技术 激光清洗 脉冲频率 有限元分析 物理机制 激光与光电子学进展
2021, 58(19): 1914009
塔里木大学 信息工程学院，新疆 阿拉尔 843300
电磁波谱中的太赫兹波段拥有许多比传统光源更独特的性质，在生物、材料、安检和通信等领域有着非常重要的研究价值，而高功率和高效率的太赫兹辐射源则是太赫兹技术转化为实际生产力的一个重要因素和前提条件。文章分别从以气体、固体和液体作为激发介质的角度，总结了激光与不同激发介质相互作用产生太赫兹波的研究进展。对气体介质中常用的四波混频、有质动力、切伦科夫和光电流模型的物理机制以及固体介质中的光电导和光整流模型的物理机制进行了详细撰述，并对影响这几种激发介质产生出太赫兹波的因素进行了分析与总结。最后，对液体激发介质产生出太赫兹辐射源的方法进行了展望。
太赫兹波辐射 激光激发 激发介质 物理机制 terahertz wave radiation laser excitation excitation medium physical mechanism
1 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室, 黑龙江 哈尔滨 150001
2 上海飞机制造有限公司, 上海 201324
3 中车长春客车轨道股份有限公司, 吉林 长春 130062
分别采用毫秒级和纳秒级脉冲宽度的激光对2024铝合金表面环氧油漆涂层进行激光清洗实验,使用高速摄像机对激光清洗过程进行监测,分析了清洗后试样表面的宏观与微观形貌。结果表明这两种激光在合适的工艺参数下均能有效去除涂层,获得清洁的基材表面,但二者的除漆特性有较大区别。纳秒脉冲激光除漆的能量效率远高于毫秒脉冲激光。经毫秒级CO2激光清洗后试样表面残留一层黑色炭灰,该物质为油漆涂层的燃烧产物,清洗过程中基材表面不容易发生熔化。纳秒脉冲激光清洗过程中产生了较强的等离子体,有大块的漆层碎片从基材表面剥离,当激光功率高于250 W时基材表面发生明显重熔。结合热弹性振动模型与热传导模型,对两种激光除漆过程的物理机制进行了探讨,发现毫秒脉冲激光除漆的主要机制为气化与燃烧效应,而纳秒脉冲激光除漆的主要机制为热弹性振动效应。
激光技术 激光清洗 脉宽 油漆涂层 表面形貌 清洗质量 物理机制
1 集成光电子学国家重点实验室, 吉林大学电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
2 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 清华大学精密仪器系, 北京 100084
激光诱导的相变是超短脉冲激光对材料进行加工改性的关键物理过程。由热效应驱动的光致相变通常都源于材料无序化,例如熔化或蒸发。在此情况下,光对材料原子尺度的控制力面临困难,加工改性的精度受限。而短脉冲的非热效应可以实现更高精度的相变控制,但是由于光与物质的相互作用过程复杂,相关机理仍在探索之中。介绍了近年来超短脉冲激光诱导非热相变的实验观测结果以及相应的机理研究进展,重点对比介绍了几种可以描述原子尺度机制的理论方法和超快激光在相变材料中诱导非热相变的动力学机理。最后讨论了理论机理对激光控制相变的参考意义。
超快光学 光与物质相互作用 非热相变 物理机制 第一性原理计算
金属微纳结构中有关光与原子、分子和量子点等物质的相互的作用研究是微纳光学领域的一个核心科学问题。近年来,得益于迅速发展的纳米材料制备方法和纳米加工技术,国内外学者在表面等离激元受激辐射的实现以及等离激元激光器的研制方面取得了许多重要进展。总结了基于金属微纳结构共振腔的表面等离激元受激辐射的出射方向性研究进展,归纳了可以提高方向性的共振腔结构,分别阐述了其中的物理机制,对于不同共振腔结构的特点与性质进行了分类比较。
表面等离激元受激发射 方向性 共振腔结构 物理机制 激光与光电子学进展
2018, 55(3): 030007
