1 上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
2 中国科学院上海光学精密机械研究所薄膜实验室，上海 201800
3 中国科学院强上海光学精密机械研究所激光材料重点实验室，上海 201800
4 中国科学院大学材料科学与光电子工程中心，北京 100049
5 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
时间分辨的泵浦探测技术是研究光学元件损伤动态过程的有力手段。基于增强电荷耦合器件（ICCD）的时间分辨泵浦探测技术，对比研究了1064 nm纳秒激光辐照下HfO2/SiO2增透膜膜面处于激光入射面（正向过程）和出射面（反向过程）两种情况下的动态损伤过程。在同一能量密度（52 J/cm2）激光辐照下，正向和反向过程都产生了无膜层剥落的小坑损伤以及伴随膜层剥落的小坑损伤，但反向过程产生的小坑的横向尺寸和深度都比正向的大。有限元分析结果表明正向和反向过程中增透膜内部的基底-膜层界面场强相似，但实际损伤形貌尺寸以及依据冲击波传播速度计算得到的爆炸能量都表明反向过程沉积的能量更大，可见等离子体形成后在后续激光脉冲辐照下的发展过程决定了两种情况下的损伤差异。增透膜损伤的时间分辨研究对其损伤机制分析以及实际应用具有重要意义。
薄膜 增透膜 激光诱导损伤 时间分辨 等离子体 冲击波
1 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
2 中国科学院大学，北京 100049
3 Laboratory of Applied Computational Imaging，Centre Énergie Matériaux Télécommunications，Institut National de la Recherche Scientifique，Université du Québec，Québec J3X1P7，Canada
高速成像技术在物理、化学、生物医学、材料科学及工业等众多领域扮演着十分重要的角色。受电荷存储和读取速度的限制，基于电子成像器件的数码相机成像速度难以进一步提高。近年来，随着成像新技术的发展，超高速和极高速光学成像的性能已得到显著提升，具备更高的时间分辨率、空间分辨率及更大的序列深度等。介绍高速成像技术的发展历程，根据成像方式，将近年来具有代表性的新型超高速和极高速光学成像技术分为直接成像和编码计算成像两个类别。分别介绍和讨论各种新型超高速和极高速光学成像技术的概念和原理，并比较各自的优缺点。最后，对这一领域的发展趋势和前景进行展望。本文旨在帮助研究者系统了解超高速和极高速光学成像技术的基本知识、最新研究发展趋势和潜在应用，为该领域科学研究提供参考。
高速成像 超高速成像 极高速成像 时间分辨率 空间分辨率 序列深度 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211020
桶状抽样型电磁量能器（Electromagnetic Calorimeter，Ecal）是俄罗斯在建的重离子超导同步加速器（Nuclotron-based Ion Collider faсility，NICA）中多功能探测谱仪（Multi-Purpose Detector，MPD）上的一个重要探测器，主要用于探测10 MeV至几个GeV能域内电子和光子的能量、时间、位置信息。基于Geant4软件，使用单能电子研究了入射位置及闪烁体层数对探测器模块（module）能量分辨率的影响，闪烁体层数和电子能量对探测器单元（tower）时间分辨率和Ecal位置分辨率的影响。模拟结果表明：随着电子入射位置由module边缘向中心移动，闪烁体内能量沉积由718 MeV增加至758 MeV；在tower长度为415.5 mm条件下，随着闪烁体层数增加，module能量分辨率变差，tower时间分辨率变好，Ecal位置分辨率变差。在兼顾量能器的各项性能后，tower中闪烁体最佳层数为211层，Ecal能量分辨率好于4.35%，时间分辨率小于112 ps，位置分辨率好于2 mm；在相同条件下，电子能量越高电磁量能器的时间分辨率和位置分辨率越好。
能量分辨率 时间分辨率 位置分辨率 Geant4 Energy resolution Time resolution Coordinate resolution Geant4
电子科技大学材料与能源学院，四川 成都 611731
热载流子弛豫过程中的能量损失是限制太阳能电池器件效率进一步提升的主要因素。近年来，研究人员提出基于热载流子能量利用的光伏器件概念，旨在热载流子弛豫到能带边缘之前将其能量收集利用。相较于传统半导体，钙钛矿材料具有更缓慢的热载流子弛豫速率，具备实现热载流子太阳能电池的潜力。首先介绍了热载流子太阳能电池的主要结构，总结了钙钛矿材料在热载流子弛豫过程和有效提取方面的研究进展，并探讨了目前合适的热载流子提取材料，最后对钙钛矿材料在热载流子太阳能电池中的发展方向进行了展望。
热载流子 热载流子提取 钙钛矿 时间分辨 太阳能电池 激光与光电子学进展
2023, 60(13): 1316021
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
一定强度的飞秒激光聚焦于空气能生成空气等离子体并诱导生成冲击波。为了观察该冲击波传播特性，引入了超快时间分辨涡旋滤波成像技术，并对观测到的冲击波动力学过程进行了分析。实验探测到泵浦能量为1.5 mJ的飞秒激光经过透镜聚焦到空气中产生等离子体空气冲击波，分析了在3~15 μs时间段冲击波的动态演化过程。结果表明，飞秒激光等离子体空气冲击波在传输时以不对称的球形形状向外扩散，且沿着激光传播方向的传播速度与背着激光传播方向的传播速度不同，分别为372 m/s和341 m/s。这一观察结果与传统的点爆炸模型的对称情形不同，尝试对该不对称动力学过程进行了合理解释。
超快时间分辨成像 涡旋滤波 空气等离子体 冲击波 ultrafast time-resolved vortex filter air plasma shock wave
厦门大学化学化工学院, 固体表面物理化学国家重点实验室, 谱学分析与仪器教育部重点实验室, 福建 厦门 361005
激光诱导击穿光谱(LIBS)具有样品无需预处理, 操作简单, 分析快速等优点, 已在多个领域获得应用。 实验搭建了飞秒激光诱导击穿光谱(Fs-LIBS)装置, 使用波长800 nm, 脉宽100 fs的飞秒激光器作为激发光源, 门控ICCD作为检测器。 LIBS用于检测静态液体时会发生液体波动飞溅等问题, 信号较差, 该实验以液体射流的方式进样, 以NaCl标准溶液为模型体相, Na(Ⅰ) 589.0 nm为分析线进行测试。 该实验采用时间分辨LIBS的方法, 考察了飞秒激光作用于样品后的LIBS发射光谱随时间的演化, 发现在激光脉冲作用于样品表面40 ns后Na原子发射谱线达到最强, 信背比也同时达到最大值。 表明飞秒脉冲激发的LIBS可以通过时间分辨, 有效消除宽带背景发射的影响, 更高效地对样品中的待测目标进行检测。 研究了激光激发功率、 ICCD门宽、 激光焦点到样品表面距离等实验条件对LIBS信号强度和信噪比的影响, 并优化了实验参数。 在延迟时间40 ns、 激发功率100 mW、 门宽5 μs、 焦点位于样品前表面的最佳实验条件下, 测试了海水样品的LIBS光谱和Na含量, 检测了不同浓度NaCl标准溶液, 并绘制了Na(Ⅰ) 589.0 nm的定标曲线, 得到NaCl标准溶液中Na元素的检测限为0.98 mg·L-1。 实验结果表明, LIBS技术满足快速、 实时检测元素的要求, 可以用于研究等离子体动力学演化过程, 实现元素的定性和定量分析。
飞秒激光诱导击穿光谱 时间分辨 NaCl溶液 液体射流 检测限 Femtosecond laser-induced breakdown spectroscopy Time-resolved NaCl solution Liquid jet Detection limit 光谱学与光谱分析
2023, 43(4): 1083
在InGaAs/GaAs表面量子点(SQDs)的GaAs势垒层中引入Si掺杂层，以研究Si掺杂对InGaAs/GaAs SQDs光学特性的影响。荧光发光谱(PL)测量结果显示，InGaAs/GaAs SQDs的发光强烈依赖于Si掺杂浓度。随着掺杂浓度的增加， SQDs的PL峰值位置先红移后蓝移； PL峰值能量与激光激发强度的立方根依赖关系由线性向非线性转变；通过组态交互作用方法发现SQDs的PL峰位蓝移减弱；时间分辨荧光光谱显示了从非线性衰减到线性衰减的转变。以上结果说明Si掺杂能够填充InGaAs SQDs的表面态，并且改变表面费米能级钉扎效应和SQDs的荧光辐射特性。本研究为深入理解与InGaAs SQDs的表面敏感特性关联的物理机制和载流子动力学过程，以及扩大InGaAs/GaAs SQDs传感器的应用提供了实验依据。
InGaAs量子点 Si掺杂 表面费米能级 荧光发光谱 间接跃迁辐射 时间分辨荧光光谱 InGaAs quantum dot Si doping surface Fermi level photoluminescence indirect-transition emission time-resolved photoluminescence
1 福建省先进高场超导材料与工程协同创新中心, 福建 福州 350117
3 西南交通大学超导与新能源研究开发中心, 四川 成都 610031
激光诱导击穿光谱(LIBS)以激光诱导微等离子体的原子发射为技术特征, 在科研与工业领域正得到重视与蓬勃发展。 作为环境气体的氩气对等离子体演化过程中粒子的碰撞过程有重要影响, 决定着LIBS技术分析性能的发挥。 利用光谱诊断技术深入研究LIBS技术条件下氩气的光谱特征, 对于提升LIBS技术及其应用水平具有重要的意义。 利用中阶梯光栅光谱仪记录时间序列光谱信息研究了瞬态Ar等离子体碰撞和衰减过程, 包括等离子体演化过程中的辐射机制和等离子体电子数密度及温度的时间演化特征。 结果表明, 在激光与氩气相互作用的初始阶段, 光谱主要由连续辐射组成, 在0.6 μs后, 光谱开始主要由氩原子、 离子的离散跃迁辐射谱线组成。 氩原子线和离子线的演化周期不同, 在0~1.0 μs延迟时间内离子线占主导, 在1.0~30 μs原子线占主导。 利用Stark展宽, Saha-Boltzmann曲线方程对60, 80和100 mJ脉冲激光能量激发下的等离子体的电子数密度和温度进行了计算, 等离子体电子数密度在0.2~2.0 μs延迟时间内快速衰减, 之后在较长的延迟时间内缓慢下降, 大约在4.0 μs达到同一个数量级; 等离子体温度(80 mJ)从初始0.2 μs时的18 000 K迅速下降到13 000 K(2.0 μs), 在5.0 μs后缓慢下降到12 000 K。 为进一步检验和优化激光脉冲用于氩气的分析性能, 对氩的不同特征谱线信噪比随时间演化的特征进行了研究, 结果表明, 氩原子线在2.0~6.0 μs的延迟窗口具有较高的信噪比, 氩离子线则在0.1~1.0 μs延迟窗口具有较高的信噪比。
激光诱导击穿光谱 氩气 等离子体 时序特征 时间分辨 Laser-induced breakdown spectroscopy Argon Plasma Timing characteristics Time resolved 光谱学与光谱分析
2022, 42(4): 1049
