碳的納米特征輻射及其應用.pdf

1、納米材料有著許多體材料不具備的光學特性，而這方面的研究一直是納米科技中的熱點之一。我們在研究半導體激光器(laserdiodes，LD)光束與物質相互作用時，偶然發(fā)現了真空中納米碳灰膜(Carbonsootfilm)在高于某功率密度閾值(103-106W/cm2)的激光誘導下能發(fā)刺眼白光的現象，本文將通過理論和實驗對這一現象的機理進行分析，并進行一些應用探索。
　　 首先，我們在第二章具體介紹了上述現象，即用聚焦的波長λ為655

2、nm、功率為35mW的應變多量子阱半導體激光器(MQW-LD)光束照射-德國產的Crookes輻射計葉片黑面，當葉片處在其焦點處時(此時激光功率密度高于某一閾值)，可以發(fā)出刺眼的白光，原本轉動的葉片停止了轉動。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)，這一現象似乎并非激光加熱所導致的熱輻射；實驗中，我們對材料作了分析，最

3、終確定為碳灰顆粒，并測得該現象的激發(fā)速度(上升沿)小于0.1μs，它的下降沿為101ms量級，遠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，預示著在應用上的潛力。
　　 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)現的普通InGaAs半導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倍頻490nm藍綠光以外，還存在深紫外輻射。實驗中測得

4、內倍頻光的功率10μW左右，而深紫外輻射的功率則接近0.1mW。對多種納米材料的光致發(fā)光(Photoluminescence，PL)實驗表明，通過摻雜不同的半導體納米材料及鍍膜等方法優(yōu)化諧振腔可以進一步調節(jié)紫外輸出的波長和功率。內倍頻光的發(fā)現否定了我們在白光光譜中發(fā)現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理，同時，這個方面的研究將給短波長半導體激光器的研制提供新的方向和選擇。
　　 在第四章，我們首先運用了激光誘導

5、白熾光(LⅡ)技術中的能量平衡方程，并進行修改和簡化，接著對碳的白光輻射進行了分析。由于真空條件和碳灰膜材料的疏松結構，使材料有著非常低的熱導率，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，我們先假設只靠熱輻射形式耗散而沒有熒光，所得結果與實驗所測較為一致，證實這是一種納米級的熱輻射，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。它可以有很好的顯色性能，預示著在照明上的應用潛力。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構變化，發(fā)現碳灰顆粒在一定激光強度照射下會生成帶缺陷的巴基蔥，而這種結構通常是高溫退火才會生成的，這進一步證實了激光加熱導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，它不會象其它碳納米材料(如碳管、C60等)一樣產生濃煙并燃燒，我們認為，這是由于碳粒在激光作用下快速生成了結構更穩(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

7、單的新方法。
　　 為了探索碳的納米特征輻射應用，我們在第五章嘗試了用另一種更實用的電磁波來激發(fā)真空中的納米碳灰膜。結果發(fā)現，帶有金屬基底的碳灰膜連同整個真空腔在微波激發(fā)下會發(fā)出刺眼的白光，而非金屬基底的碳灰膜卻不會被激發(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，這一現象主要是由于金屬中受微波作用產生的感應電流加熱表面碳粒氣化所導致。因此，這種激發(fā)在照明領域的某些特殊應用是值

8、得考慮的。此外，由于碳的納米特征輻射具有比誘導激光束更小的發(fā)光面積，我們把它作為白光點光源，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，結果表明，與以往在實驗中所用的其它白光點光源(如白光LED、超連續(xù)譜、鹵鎢燈等)相比，它的效果更理想；又利用它對衍射的本性作了探索，證實了邊界衍射波的存在，發(fā)現它總是成對地出現、并帶著p相位差、其橫向分量垂直于入射光束和它相應的邊界取向。根據這一發(fā)現，我們就可以通過調整衍射物的邊界來控制衍

9、射，這對光學元件的設計有著重要的意義。
　　 在第六章中，我們介紹了另一偶然發(fā)現的現象，即用普通光致發(fā)光與碳的納米特征輻射作比較時，發(fā)現了ZnS：Cu和SrAl2O4：Eu熒光粉在受980nm的激光束和400nm紫光照射時會出現永久紅外猝滅和短暫的紅外增強現象。它們主要是由粉體中的缺陷能級所致，因此表現出受光控制的全光開關現象，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、光通信領域可以通過摻雜并使光信號