光整流法产生THz辐射转化率的理论分析

从理论上分析了超短激光脉冲在二阶非线性晶体中光整流效应产生THz辐射的过程，讨论了影响激光能量转换为THz辐射能量的效率的各种因素；入射激光脉冲宽度对转换效率影响非常大．对于一般二阶非线性晶体，当晶体厚度等于相干长度Lc时，光对THz的转换效率最高．对于周期性极化的非线性晶体，在忽略介质吸收的情况下，转换效率与介质厚度成正比．考虑介质对THz的吸收，晶体的有效长度Leff=0．63／α,再增大晶体长度，转化效率将没有明显增加，并最终趋于常数．     

三掺杂化学计量比钽酸锂晶体的非挥发光存储性能

采用顶部籽晶助熔剂法生长了三掺杂近化学计量比Mg:Fe:Mn:Li Ta O3晶体,通过红外吸收光谱和居里温度研究了晶体缺陷结构.以蓝色激光为光源,获得了优异的光折变性质;采用多波长技术,研究了单晶的非挥发全息存储性能,得到了较高的固定衍射效率和灵敏度.蓝光具有较高能量,足以激发深(Mn)浅(Fe)陷阱中心的空穴,这大大提高了蓝光光折变性质和非挥发存储能力.在蓝色激光下,Mg2+不再是光损伤离子,而可以提高光折变特性.采用476 nm激光记录光栅,633 nm激光读取,在2.0 mol%Mg2+掺杂的晶体中获得了62.5%的固定衍射效率,非挥发全息存储的灵敏度提高到0.335 cm/J.     

2.5～5.0μm波段中红外激光晶体的生长和性能研究

中红外激光在大气污染监控、气体流量监测、海洋探测、激光医疗、军事对抗、基础科学研究等方面具有极其重要的价值.本文总结了近年来2.5~5.0μm波段中红外激光晶体的生长、物化、光谱及激光性能研究进展.采用提拉法生长出了一系列Er~(3+)激活及稀土离子共掺的低声子能镓酸盐、铝酸盐晶体,如Gd_3Ga_5O_(12)(GGG),SrGdGa_3O_7,SrLaGa_3O_7,CaYAlO_4和CaGdAlO_4等晶体,Ho~(3+)激活及敏化离子共掺的GGG晶体,以及Dy~(3+):YAlO_3等晶体,实现了2.5~3.4μm波段的发光.采用坩埚下降法生长出高质量Dy~(3+):KPb2Cl5,Cr~(2+):CdSe,Cr~(2+):Fe~(2+):CdSe等晶体,实现了2.5~5.0μm波段的发光.系统地研究了这些晶体的物化和光谱性能.重点研究了Er~(3+)激活离子在中红外波段的荧光动力学:分析了激活离子的浓度效应、共掺敏化离子的敏化机制以及退激活离子在抑制自终态效应方面所起的作用,计算了激活离子与共掺敏化离子、激活离子与共掺退激活离子之间的能量传递效率,诠释了能量传递机制.根据光谱性能研究结果,筛选出不同晶体中Er~(3+)的最佳掺杂浓度、共掺敏化离子及退激活离子的种类和浓度.研究了Er~(3+)激活的GGG和CaYAlO_4等晶体的激光性能.采用965nmLD端面泵浦Er:GGG,Er,Pr:GGG和Er:GGG/GGG键合晶体,采用氙灯泵浦Cr,Er:YSGG等晶体,均实现了高效的2.7~2.8μm多波长连续或脉冲激光输出,并在Er:GGG晶体上首次实现单纵模微片激光输出.     

无机功能晶体材料的结晶过程研究

功能晶体材料作为光、声、电等转换的重要介质,已经被广泛应用于能源、信息、航空航天等高新技术领域,是目前国际材料科学与工程学科发展的热点和前沿课题.结晶过程是制备功能材料的核心环节,结晶习性直接影响材料的光、电、磁、催化等功能特性.在无机材料的结晶过程中,晶体组成在微观上经历了从自由态离子到结晶态固体的相变过程.可以借助晶体组成离子的电负性及基团微观对称性的变化,研究结晶过程中聚集体的形成和结构演变规律.利用分子振动光谱能够从分子尺度上揭示非线性光学晶体材料在水溶液结晶过程中结晶学结构的形成过程,克服了传统原位观测手段中缺乏对非长程有序结构的确定.利用结晶生长的化学键合理论从热力学和动力学两个方面指导大块晶体的生长实践,合理调控晶体的生长表/界面热力学和动力学.将结晶生长的化学键合理论应用到大尺寸晶体提拉生长参数的设计和优化,成功搭建了大尺寸晶体智能生长系统,并成功生长了φ2″蓝宝石晶体、φ3″YAG晶体和φ4″铌酸锂晶体.     

材料多尺度结晶研究进展

材料是物理性能的产生及能量相互转换的重要载体,材料结晶是新材料创制的核心和探索的前沿方向.多尺度材料结晶是相关领域研究人员共同面临的科学问题.材料结晶模型是以相图为基础,确定材料的组成与相关物理化学参数,结合材料结晶理论和生长方法共同构建材料结晶.本文综述了从成核到生长的主要理论与部分材料结晶生长方法,指出材料结晶研究向着多尺度、多因素、定量化的方向发展.材料结晶设备向着自动化、数字化、智能化方向发展.材料结晶研究了多尺度的相演变过程,包含从成核到生长的质量与能量传递过程,需要多学科交叉领域的协同发展.     

太阳能驱动热电子-热辐射耦合器件的优化性能

基于真空热电子和热辐射器件模型,构建一类太阳能驱动热电子-热辐射耦合器件的理论模型.应用有限时间热力学、热电子发射和普朗克辐射理论,导出耦合器件的热平衡方程和能量转换效率表达式.首先,讨论热电子器件短路、热辐射器件开路、两子器件串联时的热学和电学性能,分析系统在最大效率时的参数特性.其次,确定两子器件独立运行时的系统最大效率和优化条件,揭示阳极板功函数、聚光器的聚光因子和光学效率对优化性能的影响.研究结果表明耦合系统在两子器件独立产生电能时的性能最优,可为聚光太阳能驱动热电转换系统的设计提供理论指导.     

新型弛豫铁电单晶体Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3的形貌与缺陷结构

采用改进的Bridgman法生长出了尺寸达 2 5mm× 2 5mm× 5 0mm的透明的、压电性能十分优异的弛豫铁电单晶体Pb(Mg1/ 3 Nb2 / 3 )O3 PbTiO3 ,其为纯钙钛矿相的三方或四方结构 .这些单晶主要显露 {0 0 1 }面 ,而 [1 1 1 ]方向的生长速度相对较快 .可以利用负离子配位多面体生长基元理论模型解释PMNT单晶的形貌特征与生长习性 .在光学显微镜和SEM下观察到了散射颗粒、气泡及负晶结构等宏观缺陷 .在对结构缺陷形成机制研究的基础上 ,通过调节生长参数 ,可以减少或消除这些缺陷 .用光学显微镜对三方相单晶的 71°或 1 0 9°电畴、四方相单晶的 90°电畴进行了观察 ,发现微畴 宏畴转变可由成分诱导并存在过渡区 ,分析了电畴结构的形成机理及与铁电相变的关系 .     

定向凝固多晶硅中细晶产生的原因分析

铸锭多晶硅是目前最主要的光伏材料，其结晶组织的形貌对太阳能电池的转换效率有着显著的影响．粗大均一的晶粒有利于得到高质量的硅片，从而提高电池转化效率．而在多晶硅锭的中心区域经常发现晶粒尺寸小于1mm2的细晶，其电学性能较差，影响该部分硅片的质量．本文设计了两种不同结构的热场，利用计算机仿真技术和实验测量，结合组分过冷理论，对细晶形成机理和影响因素进行了探讨．研究表明，提高结晶界面前沿熔体的温度梯度与结晶速度的比值G／V、增强界面前沿熔体的对流强度，并维持较为平坦的结晶界面，有利于避免细晶的产生．     

355nm脉冲激光清洗溶胶-凝胶膜面颗粒污染

在强激光系统中,光学元件表面的颗粒污染极大地限制了元件的使用寿命.本文在355 nm纳秒脉冲激光入射下,采用激光等离子体冲击波光栅式扫描技术,清洗了溶胶-凝胶Si O2薄膜表面的石英颗粒污染.当瞄准距d取为0.5~1.5 mm时,膜面的清洗效率η达到90%以上.当d0.5 mm时,膜面易产生等离子体灼伤.当d接近3 mm时,清洗效果基本丧失.采用紫外-可见分光光度计、静滴接触角测量仪与原子力显微镜对样品进行测试.结果表明,冲击波清洗之后,元件透射峰能恢复到污染前的状态.由于冲击波对颗粒的碎裂作用,清洗后膜面均方根粗糙度由1.755 nm增大为2.681 nm,膜面与水的接触角由48°减为6°,其抗污染能力明显变差.     

β—PbF2：Gd晶体常温下闪烁性能的探索

用Bridgeman Stockbarger法生长出了掺Gd质量分数为 0 1 5 %的立方氟化铅 ( β PbF2 :Gd)晶体 .将其切割、抛光制成 2 0mm× 2 0mm的试样 ,分别用13 7Cs和AGS上强度为 1GeV的束流为激发源 ,测量了该晶体的光输出和衰减时间 .结果表明β PbF2 :Gd晶体在常温下能够产生微弱的闪烁光 ,光输出约为 6光电子 /MeV ,而且大部分光输出都是在时间门宽 <30ns的范围内测到的 ,在 1 μs范围内没有发现慢分量 .X射线激发下的发射光谱表明 ,β PbF2 :Gd晶体的 2 77和 31 2nm发光峰分别对应于Gd3 +离子的6IJ→8S7/2 和6PJ→8S7/2 能级跃迁 .     

包层模块几何特征对MHD流动和流道插件力学行为的影响

在国际热核聚变反应堆中,液态包层是能量转换的关键部件,位于包层模块内的流道插件(FCI)的主要作用是绝缘和绝热,流道插件的几何尺寸对包层内MHD流动特性、传热性能和结构安全性有很大影响.本文应用相容守恒格式的有限体积法分析磁场作用下金属流体的流动行为和温度场特点,并采用顺序耦合的方式,用有限元方法分析流场和温度场对结构的应力应变产生的影响.详细研究了流道插件厚度和间隙区宽度对MHD流动传热的作用,并引入无量纲数定量分析包层的传热效率.研究结果表明,插件厚度和间隙区宽度非线性、非单调地影响着传热效率、MHD压降、第一壁温度和流道插件的热应力.通过对大量计算数据的分析,本文建立了MHD压降与间隙区宽度的关联式;综合热效率、压降、第一壁温度和结构热应力作用,推荐了包层结构设计方案.本文为包层模块的优化设计提供了理论基础.     

光学邻近效应矫正(OPC)技术及其应用

随着集成电路设计和制造进入超深亚微米（VDSM）阶段,特征尺寸已经接近甚至小于光刻工艺中所使用的光波波长,因此光刻过程中,由于光的衍射和干涉现象,实际硅片上得到的光刻图形与掩膜版图形之间存在一定的变形和偏差,光刻中的这种误差直接影响电路性能和生产成品率.为尽量消除这种误差,一种有效的方法是光学邻近效应矫正（OPC）方法.目前由于OPC矫正处理时间过长,产生的文件大小呈指数级增长,使掩膜版的制造成本成倍地增加.文中首先针对OPC矫正技术进行了深入研究,提出了具有图形分类预处理功能的自适应OPC矫正技术,将芯片图形按其对性能的影响分为关键图形与一般图形,对两类图形采用不同的容差,提高了OPC处理效率.其次,提出并实现了图形分段分类的基于模型的OPC矫正算法,在保证矫正精度的同时提高了矫正的效率.提出了具有通用性、简洁性和全面性的OPC矫正规则,在此基础上实现了规则库的自动建立和规则库的查找与应用,实现了效率高、扩展性强的基于规则的掩膜版矫正算法.算法对规则数据进行有效地描述、存储和处理,提高了光刻矫正技术实际应用效率.第三,设计实现了高效、高精度的光学邻近效应矫正系统MR-OPC,系统综合应用了基于规则的OPC矫正技术和基于模型的OPC矫正技术,很好地解决了矫正精度和矫正效率之间的矛盾,取得了最佳的矫正优化结果.     

高出光品质LED封装:现状及进展

发光二极管(light-emitting diode,LED)具有电光转换效率高、节能环保、体积小等优点,被誉为21世纪绿色照明光源.随着LED在越来越多的照明场合的应用推广和人们对于光源质量的要求的提高,LED出光品质越来越被重视.评价LED出光品质的指标主要有效率、空间颜色均匀性和显色指数,这些参数和LED封装密切相关.LED封装是将芯片和其他封装材料集成在一起形成最终的照明产品,起着机械保护、外部信号和电连接、散热和光学参数调控等关键性功能.本文从封装的角度,对LED的效率、空间颜色均匀性和显色指数的调控技术进行了系统阐述.具体到封装中的关键技术,主要包含以下3方面:(1)热设计.LED在工作过程中约有60%的输入电能被转化为热量,如果产生的热量不能及时有效地散到环境中,将会造成LED的温度急剧升高,导致LED的效率下降并带来可靠性问题.(2)光学设计.LED的光从芯片有源层中通过电子-空穴复合的方式产生后,在经过芯片、荧光粉、封装胶和透镜等材料后,由于散射和折射等作用,光的传播方向和路径会发生改变.此外由于吸收作用,部分的光被吸收并转换成热量.因此通过光学设计不仅可以调控LED光源能量分布,还可以减少光在封装材料中的吸收从而提高光效.(3)荧光粉涂覆.相比于多色发光LED芯片组合获得期望出光品质LED的封装形式,将单色或者多色荧光粉涂覆在单色LED芯片上的封装形式具有更强的相关色温可调性和工艺灵活性而被广泛应用于LED工业生产中.对于荧光粉结合芯片的白光LED封装形式,荧光粉涂覆起着调控空间颜色均匀性和显色指数的关键作用.     

TiO_2纳米阵列的制备、表面修饰及其在钙钛矿太阳电池中的应用

一维TiO_2纳米阵列具有直接的电子传输通道,在太阳电池中作为电子传导材料引起了广泛的关注.以水热法制备的金红石相TiO_2纳米阵列作为有机无机杂化钙钛矿太阳电池电子传导支架,系统研究了TiO_2致密层引入对纳米阵列生长和组装器件光电性能的影响;考察了TiO_2纳米棒棒长和TiCl_4水浴处理等对纳米阵列微结构和组装电池光电性能的影响.致密层的引入有利于获得垂直取向TiO_2纳米阵列,纳米棒棒长的优化有利于光生载流子的快速分离和传导,而采用TiCl_4水浴处理TiO_2纳米阵列,不仅增大了纳米阵列的比表面积,有利于吸附更多的钙钛矿晶体和提升电池对光的俘获,同时TiCl_4水浴处理产生的小纳米颗粒有助于填补钙钛矿晶体与纳米阵列间的缝隙,促进更好的界面接触,从而抑制载流子传导过程中的复合,提升电池性能.在引入TiO_2致密层后,进一步采用0.1 mol/L TiCl_4处理的TiO_2纳米阵列组装的电池展现最优的光电性能,其短路电流密度、开路电压、填充因子分别达到22.88 mA/cm~2,1.04 V和63.58%,电池的能量转化效率达到15.11%.     

不同电子受体诱导活性污泥生物质内源减量

活性污泥法是世界上应用最广泛的污水处理工艺.该工艺在净化水质的同时会产生大量的剩余污泥,而剩余污泥处理处置已成为该工艺发展的瓶颈.尽管现有污泥减量技术能够降低污泥产量,但是这些技术自身涉及能量和化学品的消耗,有悖于可持续污水处理的理念.在新陈代谢中,细菌合成取决于电子传递过程中所产生的能量(三磷酸腺苷ATP).不同电子受体因电子传递路径差异导致能量产率不同而影响细菌产率.本研究基于上述分析,以低溶解氧活性污泥工艺为研究对象开展不同电子受体诱导污泥减量性能与机制研究.在低溶解氧下的活性污泥微生物种群结构中, 29.7%的微生物为缺氧菌,这些缺氧菌能够利用NO_x~-为电子受体.基于热力学电子当量模型及电子传递模型推导出:微生物利用NO_x~-作为电子受体时的能量(ATP)产量仅为以O_2为电子受体时的2/3.胞外蛋白质组学揭示:低溶解氧系统中,微生物胞外蛋白中涉及电子传递和质子传递的蛋白丰度为8%和4%;而传统活性污泥系统中这个比例仅为2.9%和2%. NO_x~-作为电子受体时,更多的蛋白参与了电子传递过程.在低溶解氧系统和常规活性污泥系统中具有氧化还原催化活性的蛋白占23.7%和10.7%.这证实微生物以NO_x~-作为电子受体时电子传递活性更加活跃.电子受体的改变诱导了分解代谢与合成代谢之间的基质分配发生变化,微生物以NO_x~-作为电子受体参与细胞合成的电子供体fs明显小于O_2为电子受体的值.微生物以NO_x~-作为电子受体时,更少的能量和物质用于细胞合成,更多的能量被耗散掉.在无需额外的能量和资源消耗下,低溶解氧活性污泥系统获得15.4%的污泥减量效率.本研究成功地诱导微生物转换电子受体实现污泥减量.