碳的納米特征輻射及其應(yīng)用.pdf

1、納米材料有著許多體材料不具備的光學(xué)特性，而這方面的研究一直是納米科技中的熱點(diǎn)之一。我們?cè)谘芯堪雽?dǎo)體激光器(laserdiodes，LD)光束與物質(zhì)相互作用時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)了真空中納米碳灰膜(Carbonsootfilm)在高于某功率密度閾值(103-106W/cm2)的激光誘導(dǎo)下能發(fā)刺眼白光的現(xiàn)象，本文將通過理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)這一現(xiàn)象的機(jī)理進(jìn)行分析，并進(jìn)行一些應(yīng)用探索。
　　 首先，我們?cè)诘诙戮唧w介紹了上述現(xiàn)象，即用聚焦的波長(zhǎng)λ為655

2、nm、功率為35mW的應(yīng)變多量子阱半導(dǎo)體激光器(MQW-LD)光束照射-德國(guó)產(chǎn)的Crookes輻射計(jì)葉片黑面，當(dāng)葉片處在其焦點(diǎn)處時(shí)(此時(shí)激光功率密度高于某一閾值)，可以發(fā)出刺眼的白光，原本轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片停止了轉(zhuǎn)動(dòng)。甚至在功率僅為5mW的聚焦的激光筆照射下也能激發(fā)出白光。由于黑面上的材料并未被破壞，并考慮到輻射計(jì)的工作原理(由黑面吸收光能加熱其附近殘余氣體引起熱蠕流所致)，這一現(xiàn)象似乎并非激光加熱所導(dǎo)致的熱輻射；實(shí)驗(yàn)中，我們對(duì)材料作了分析，最

3、終確定為碳灰顆粒，并測(cè)得該現(xiàn)象的激發(fā)速度(上升沿)小于0.1μs，它的下降沿為101ms量級(jí)，遠(yuǎn)小于普通熱輻射的壽命。由于其光譜很寬，具有很好的顯色性，預(yù)示著在應(yīng)用上的潛力。
　　 在第三章中，我們主要介紹了在探索納米碳發(fā)白光過程中偶然發(fā)現(xiàn)的普通InGaAs半導(dǎo)體激光器的三光束輸出，即常規(guī)的InGaAs/GaAs/AlGaAs多量子阱激光器除了發(fā)射980nm紅外激光和非線性內(nèi)倍頻490nm藍(lán)綠光以外，還存在深紫外輻射。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得

4、內(nèi)倍頻光的功率10μW左右，而深紫外輻射的功率則接近0.1mW。對(duì)多種納米材料的光致發(fā)光(Photoluminescence，PL)實(shí)驗(yàn)表明，通過摻雜不同的半導(dǎo)體納米材料及鍍膜等方法優(yōu)化諧振腔可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)紫外輸出的波長(zhǎng)和功率。內(nèi)倍頻光的發(fā)現(xiàn)否定了我們?cè)诎坠夤庾V中發(fā)現(xiàn)的小特征峰為碳材料所致，有助于我們分析碳的白光輻射機(jī)理，同時(shí)，這個(gè)方面的研究將給短波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的研制提供新的方向和選擇。
　　 在第四章，我們首先運(yùn)用了激光誘導(dǎo)

5、白熾光(LⅡ)技術(shù)中的能量平衡方程，并進(jìn)行修改和簡(jiǎn)化，接著對(duì)碳的白光輻射進(jìn)行了分析。由于真空條件和碳灰膜材料的疏松結(jié)構(gòu)，使材料有著非常低的熱導(dǎo)率，致使碳粒吸收激光能量后只能主要以光輻射(包括熱輻射和熒光發(fā)射)的形式耗散。理論上，我們先假設(shè)只靠熱輻射形式耗散而沒有熒光，所得結(jié)果與實(shí)驗(yàn)所測(cè)較為一致，證實(shí)這是一種納米級(jí)的熱輻射，我們稱之為納米特征輻射，其發(fā)射率變?yōu)榧{米碳粒尺寸的函數(shù)。它可以有很好的顯色性能，預(yù)示著在照明上的應(yīng)用潛力。我們還通過

6、Raman譜和高分辨透射電鏡(HRTEM)分析和研究了樣品在激光照射前后的結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)碳灰顆粒在一定激光強(qiáng)度照射下會(huì)生成帶缺陷的巴基蔥，而這種結(jié)構(gòu)通常是高溫退火才會(huì)生成的，這進(jìn)一步證實(shí)了激光加熱導(dǎo)致了碳的納米特征輻射。另外，大氣中碳灰材料在激光照射下也很穩(wěn)定，它不會(huì)象其它碳納米材料(如碳管、C60等)一樣產(chǎn)生濃煙并燃燒，我們認(rèn)為，這是由于碳粒在激光作用下快速生成了結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定的巴基蔥所致。這一研究成果表明，用激光法制備巴基蔥是一種快速簡(jiǎn)

7、單的新方法。
　　 為了探索碳的納米特征輻射應(yīng)用，我們?cè)诘谖逭聡L試了用另一種更實(shí)用的電磁波來激發(fā)真空中的納米碳灰膜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，帶有金屬基底的碳灰膜連同整個(gè)真空腔在微波激發(fā)下會(huì)發(fā)出刺眼的白光，而非金屬基底的碳灰膜卻不會(huì)被激發(fā)。光譜分析表明，除了碳的納米特征輻射，白光中還有C2氣體分子發(fā)光，它們的疊加光譜非常接近太陽光，這一現(xiàn)象主要是由于金屬中受微波作用產(chǎn)生的感應(yīng)電流加熱表面碳粒氣化所導(dǎo)致。因此，這種激發(fā)在照明領(lǐng)域的某些特殊應(yīng)用是值

8、得考慮的。此外，由于碳的納米特征輻射具有比誘導(dǎo)激光束更小的發(fā)光面積，我們把它作為白光點(diǎn)光源，研究了透鏡、圓形和方形位相型波帶板在不同象散情況下的色散，結(jié)果表明，與以往在實(shí)驗(yàn)中所用的其它白光點(diǎn)光源(如白光LED、超連續(xù)譜、鹵鎢燈等)相比，它的效果更理想；又利用它對(duì)衍射的本性作了探索，證實(shí)了邊界衍射波的存在，發(fā)現(xiàn)它總是成對(duì)地出現(xiàn)、并帶著p相位差、其橫向分量垂直于入射光束和它相應(yīng)的邊界取向。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，我們就可以通過調(diào)整衍射物的邊界來控制衍

9、射，這對(duì)光學(xué)元件的設(shè)計(jì)有著重要的意義。
　　 在第六章中，我們介紹了另一偶然發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象，即用普通光致發(fā)光與碳的納米特征輻射作比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)了ZnS：Cu和SrAl2O4：Eu熒光粉在受980nm的激光束和400nm紫光照射時(shí)會(huì)出現(xiàn)永久紅外猝滅和短暫的紅外增強(qiáng)現(xiàn)象。它們主要是由粉體中的缺陷能級(jí)所致，因此表現(xiàn)出受光控制的全光開關(guān)現(xiàn)象，即熒光粉所發(fā)的綠光可以由紅外光控制使之變亮或變暗，這意味著在光纖激光、光通信領(lǐng)域可以通過摻雜并使光信號(hào)