光学频率梳状发生器和光钟研究

本文简要介绍光学频率梳状发生器的基本原理和应用,以及新一代原子光钟的研究意义和进展.     

同步抽运飞秒光参量振荡器中的载波-包络相位控制及其应用

同步抽运飞秒光参量振荡器(OPO)以及抽运源所构成的飞秒脉冲系统具有内在同步、多波长脉冲输出以及各脉冲的载波-包络相位(CEP)的内在关联等特性, 在超宽频率梳以及脉冲的相干合成方面具有先天的优势. 本文阐述了一系列该研究方向的最新成果, 诸如探讨了OPO内载波-包络相位与能量守恒的关系, 并通过实验进行了检验; 利用自参考法控制了作为抽运源的飞秒钛宝石激光器CEP, 并通过压电陶瓷(PZT)锁定了其脉冲重复频率; 利用OPO产生的非相位匹配可见光, 并以抽运光的超连续作为参考, 通过OPO端镜上的快速PZT控制了OPO产生的所有脉冲的CEP, 从而获得400 nm~2.4 μm超宽频率梳, 控制精度高于1.2 kHz带宽; 并利用波长相近相位锁定的抽运光以及信号光倍频实现了不同脉冲的相位相干, 为产生极窄的合成光脉冲打下了基础.     

“嫦娥一号”多通道微波辐射计测量估算全月球月壤层氦3含量

由太阳风注入月球表面月壤层的氦3(³He)是一种可供核聚变燃料使用的最有价值的月球资源之一. 以Apollo月壤样品为基础, 提出月表面³He含量与月表面归一化太阳风通量、月壤光学成熟度以及TiO₂含量之间成线性关系. 中国2007年10月24日首次成功发射的“嫦娥一号”(CE-1)探月卫星在世界上首次载有多通道微波辐射计, 用于测量月表面微波辐射亮度温度(brightness temperature, Tb). 本文根据CE-1观测的多通道Tb数据反演的全月球月壤层厚度, 估算全月球月壤层³He总含量约为6.6×10⁸ kg, 其中月球正面3.7×10⁸ kg, 月球背面2.9×10⁸ kg.     

精密度的追求

锁模飞秒激光产生的光频梳完全革新了光频率的计数技术。有了它们，只需要一步就可以将光学频率和微波频率连接起来，它们还提供了长期缺失的光学原子钟的钟表机构。通过扩展时间和频率的度量衡学的极限，它们使基本物理定律新的检验成为可能。通过用铯原子钟的微波频率对氢原子和其他原子的光学共振频率的精密比较，将确定基本物理常数可能的缓慢变化的灵敏度极限。光学高次谐波的产生将频梳技术扩展到极端紫外，开启了精密激光光谱学新的光谱领域。频梳技术也通过对超快激光脉冲的电场的控制成为阿秒(attosecond)科学的关键。     

基于磁小珠-DNA-碳纳米管三明治组装体的光散射信号检测丙型肝炎病毒基因序列

基于碳纳米管光散射和磁小珠易分离特性, 以丙型肝炎病毒的一段相关基因序列为实例, 通过检测磁小珠-DNA-碳纳米管组装形成的三明治结构产生的光散射信号建立了一种简便、快速、灵敏、免标记检测病毒基因序列的方法. 由于单链DNA能通过π-π共轭缠绕在多壁碳纳米管表面, 而双链不能, 因而将丙肝病毒的一段相关DNA探针通过共价偶联修饰的磁小珠就能与多壁碳纳米管结合形成三明治结构, 而当有靶物DNA存在时, 因修饰在表面的DNA探针与靶物DNA进行特异性杂交阻碍三明治结构的形成. 测定通过磁性分离三明治结构后上清液的光散射信号, 发现在295 nm处的光散射强度与1.0×10^-6~4.0×10^-8 mol/L靶物DNA呈现良好的线性关系, 检测限(3σ)为40 nmol/L (n=10).     

Dy3+对小鼠骨髓基质细胞成骨和成脂分化及成骨细胞横向分化为脂肪细胞的影响

通过MTT, 碱性磷酸酶活性测定, 矿化功能表达以及油红O的定量测定等多种方法研究了Dy³⁺对原代培养的小鼠骨髓基质细胞成骨分化和成脂分化以及原代培养的小鼠成骨细胞横向分化为脂肪细胞的影响. 研究结果表明, 浓度为1×10^-8, 1×10^-5 mol/L的Dy³⁺对骨髓基质细胞增殖没有影响, 但在其他浓度下则抑制骨髓基质细胞的增殖; 1×10^-10, 1×10^-9 mol/L的Dy³⁺对成骨细胞增殖没有影响, 在其他浓度下则抑制成骨细胞的增殖; 当Dy³⁺与骨髓基质细胞作用7 d, 除1×10^-9和1×10^-7 mol/L的Dy³⁺对骨髓基质细胞成骨分化没有影响外, 其他浓度下的Dy³⁺则促进骨髓基质细胞成骨分化; 当作用14 d, 1×10^-5 mol/L的Dy³⁺抑制骨髓基质细胞成骨分化, 1×10^-9, 1×10^-8, 1×10^-7和1×10^-6 mol/L 的Dy³⁺促进骨髓基质细胞成骨分化, 并且1×10^-6 mol/L的Dy³⁺的促进作用最大; 测试浓度下的Dy³⁺都促进骨髓基质细胞的矿化功能; 除1×10^-7 mol/L的Dy³⁺对骨髓基质细胞的成脂分化没有影响外, 其他浓度的Dy³⁺则抑制骨髓基质细胞的成脂分化; 测试浓度下的Dy³⁺都明显抑制成骨细胞的横向分化; 研究结果提示Dy³⁺对骨的保护作用可能是通过促进骨髓基质细胞成骨分化, 抑制其成脂分化和成骨细胞的横向分化, 进而促进成骨细胞的分化和矿化功能实现的. 这些结果对于更好地理解Dy³⁺对骨质疏松的病理过程的干预作用是非常有价值的.     

二维光子晶体线缺陷波导慢光抽运增强光参量增益

推导了非线性光子晶体线缺陷波导中抽运光群速度与光参量放大增益的理论模 型. 理论结果表明, 慢光抽运可以增强光参量放大效应. 为获得相同的增益, 当波导长度不变时, 慢光波导所需的抽运光功率可以减少为普通波导的(v_gn/c)²; 当抽运光功率不变时, 慢光波导所需的长度可以减少为普通波导的(v_gn/c)², 其中n为普通波导的材料折射率, v_g为慢光波导的群速度, c为真空中的光速. 数值计算结果验证了我们的理论预测.     

地球内部热散失量分布的非对称性

采用Pollack等人 1993年给出的全球热流场 12阶球谐系数 ,求出南、北半球以及0°半球、180°半球的平均热流值和热散失量 .计算结果表明 ,南半球平均热流值为 99 3mW·m^-2 ,显著高于北半球平均热流值(74 0mW·m^-2 ) ;0°半球的平均热流值 (94 1mW·m^-2 )也高于 180°半球 (79 3mW·m^-2 ) .南半球的地幔热散失量达 22.1× 10¹²W ,是北半球地幔热散失量(10.8×10¹² W )的两倍;0°半球的地幔热散失量为16.9×10¹² W ,与180°半球的地幔热散失量16.0× 10¹²W相近 .大陆与海洋在全球的非对称分布是导致地球内部热散失量具有半球非对称性的原因 .热散失量的非对称分布是地质历史中的长期现象.     

19-去甲睾酮单克隆抗体的筛选及icELISA 方法的建立

采用细胞融合技术筛选抗19-去甲睾酮(nortestosterone, NT)单克隆抗体(monoclonalantibody, mAb)杂交瘤细胞株, 体内诱性腹水法制备NT mAb, 建立异源性间接竞争ELISA(indirect competitive ELISA, icELISA)标准曲线, 并对其特异性、理化因素的影响和基质效应性进行探讨. 结果表明, 筛选的5 株杂交瘤细胞分泌的单抗腹水效价为0.64×10⁵~2.56×10⁵, 半数抑制浓度IC₅₀ 为0.55~1.0 ng/mL, 抗体为IgG₁ 亚型, 具k 轻链, 亲和常数K_a 为2.6×10⁹~4.7×10⁹ L/mol. 建立的icELISA 标准曲线在磷酸盐缓冲液(phosphate buffered saline, PBS)中的线性检测范围为0.004~85.8 ng/mL, IC₅₀ 值为0.55 ng/mL, 检测限(limit of detection, LOD)为0.002 ng/mL; 抗体与17a-去甲睾酮的交叉反应率(cross-reactivity, CR)为62%, 与其他化合物无CR. 标准品稀释液中甲醇的最佳含量为10%, 牛尿1:20 倍稀释可消除基质干扰, ELISA方法和液质联用检测(LC-MS/MS)的相关性良好(R²=0.9871).     

瞬态吸收光谱研究水相中三丁基锡与·OH自由基反应机理

利用355 nm激光闪光光解技术研究了无氧和氧饱和两种条件下三丁基锡与亚硝酸水溶液的紫外光解反应. 实验表明,·OH自由基攻击三丁基锡阳离子(SnBu₃⁺)的正丁基生成SnBu₃⁺·OH 加合物, 其二级生成速率常数为(1.05±0.07)×10¹⁰ L·mol^-1·s^-1. SnBu₃⁺·OH 加合物在无氧时发生一级衰减, 其衰减速率常数为(3.50±0.32)×10⁵ s^-1; 氧饱和时, SnBu₃⁺·OH 加合物衰减速率比无氧时要快很多, 表明SnBu₃⁺·OH 加合物能迅速与O₂发生反应, 生成SnBu₃⁺·OHO₂ 加合物. 根据实验结果和动力学推导得到其二级生成速率常数为(6.4±1.3)×10⁸ L·mol^-1·s^-1.     

InGaN单结太阳电池中的浅能级杂质的理论计算和模拟

通过氢有效质量理论(HEMT)对In0.65Ga0.35N(高In组分,Eg=1.31eV)太阳电池材料进行分析,计算出其浅能级施主和受主的重要性质参数电离能:ΔED～10.8meV,ΔEA～90meV.在此基础上得到了室温条件下In0.65Ga0.35N的浅能级施主和受主强电离时的杂质浓度范围:施主9.56×108～4.57×1016cm-3,受主9.56×108～7.84×1016cm-3;并估算了产生杂质能带的最低杂质浓度:施主～1×1018cm-3,受主～5.79×1020cm-3.然后借助AMPS-1D软件对含有部分电离的浅能级施主、受主In0.65Ga0.35N单结太阳电池进行模拟,详细讨论了施主能级和受主能级对载流子的俘获对太阳电池效率的影响.本文结果为InGaN单结和多结太阳电池的掺杂(尤其是p型掺杂)和制备提供了理论参考和帮助。     

Al2O3 绝缘栅SiC MIS 结构基本特性的研究

采用原子层淀积(ALD)方法在4H-SiC(0001)8°N-/N+外延层上制备了超薄(~4 nm)Al₂O₃ 绝缘栅高介电常数SiC MIS 电容. 通过对Al₂O₃ 介质膜以及Al₂O₃/SiC 界面微结构和电学特性 分析表明, 实验所得Al₂O₃ 介质膜具有较好的体特性和界面特性, Al₂O₃ 薄膜的击穿电场为25 MV/cm, 并且在可以接受的界面态密度(2×10¹³ cm^-2)下具有较小的栅泄漏电流(8 MV/cm 电场 下漏电流密度为1×10^-3 A/cm^-2). 电流-电压测试分析表明, 在FN 隧穿条件下, SiC/Al₂O₃ 之间的 势垒高度为1.4 eV, 已达到制作SiC MISFET 器件的要求. 同时, 在整个栅压区域也受 Frenkel-Poole 和Schottky 机制的共同影响.     

水合锰(Ⅱ)结构的量子化学和ABEEM/MM研究

应用新一代可极化分子力场——原子-键电负性均衡浮动电荷分子力场ABEEM/MM,结合精密量子化学方法, 构建了精确的Mn²⁺-H₂O 相互作用的势能函数, 确定了相关参数.将该势能函数用于计算[Mn(H₂O)_n]²⁺(n=1~12)的结构和结合能, 得到了与量子化学一致的结果. 进一步对Mn²⁺水溶液进行ABEEM/MM 动力学模拟, 得到的Mn²⁺–O 径向分布函数的第一和第二最高峰分别处于0.218 和0.435 nm 处, 积分得到第一和第二水合层的配位水分子数分别为7.03 和17.74; 对于O–Mn²⁺–O 角度分布函数, 其第一和第二最高峰分别位于80°和140°附近, 这些结果与实验和其他理论方法的结果有很好的一致性. Mn²⁺的极化作用使得第一水合层中水分子的键长明显增长, 键角明显减小; 而Mn²⁺对第二水合层及外层水分子的结构影响较小. 分析体系的电荷分布表明, 与ABEEM-7P 纯水相比, Mn²⁺水溶液中参与形成氢键的氢原子和孤对电子的电荷变化较大, 且Mn²⁺和其邻近的水分子间存在明显的电荷转移.     

采用离子热方法合成夹心型钨磷酸盐

采用离子热方法在离子液体[Emim]Br(1-乙基-3-甲基咪唑溴盐)中合成了夹心型的钨磷 酸盐H₃(Emim)₇[Ni₄(Mim)₂(PW₉O₃₄)₂]·4H₂O(1)(Mim 为乙基咪唑). 通过X 射线衍射、元素分析、 红外光谱、热重、XRD、电化学和光催化等对该化合物的结构和性质进行了测试和表征. X 射 线单晶衍射分析表明: 化合物1 属单斜晶系, C2/c 空间群, 晶胞参数: a = 35.584(7) Å, b = 14.513(3) Å, c = 24.423(5) Å, α= 90.000°, β= 101.38(3)°, γ= 90.000°, V = 12365(4) ų, Z = 4. 在化 合物1 的晶体结构中, 阴离子框架为2 个乙基咪唑分子修饰的有机无机杂化夹心型阴离 子[Ni₄(Mim)₂(PW₉O₃₄)₂]^10-, 而且多酸阴离子的表面氧原子与游离的抗衡阳离子1-乙基-3-甲基 咪唑之间存在着广泛的C-H···O 氢键作用, 进而构筑成为一个三维的超分子框架.     

光纤光学频率梳

在时域上,光学频率梳(光频梳)表现为时间间隔固定的超短脉冲序列,具有飞秒量级的时间宽度和极高的瞬时电场强度;在频域上,光频梳呈现为数百万频率间隔固定的频率齿的集合,每根梳齿都具备窄线宽稳频连续激光器的频率精度。光频梳已经发展成为一种重要的科研工具,广泛应用于高精度原子、分子特征信息识别,物质内部结构解析,生物成像及空间遥感成像等诸多科学研究领域。文章首先说明光频梳的基本技术原理,然后介绍华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室在光频梳研制领域的进展,并详细介绍基于自研光频梳发展的两种应用:双光梳三维编码成像和双光梳分子光谱。     

第一性原理分子动力学计算核幔边界条件下Ni的结构和动力学性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理分子动力学计算了在地幔与外地核(核幔)边界条件下Ni的结构和动力学, 发现在核幔条件(4000 K, 139 GPa)下, Ni是一种液态结构. 常压下液态Ni的原子排列主要是二十面体序, 在压强的作用下, 二十面体序有一个增加的过程, 当压强大于68 GPa后, 二十面体序的增强过程发生逆转, 大量的完整二十面体结构受到破坏, 缺陷二十面体急剧增加. 核幔边界条件下的液态Ni形成了一种由完整二十面体、缺陷二十面体、面心以及密排六方等其他原子排列方式并存的复杂结构. 我们计算了液态Ni的扩散系数, 其数量级大约为10^-9 m²/s, 与相应条件下Fe的扩散系数的数量级相同. 由于核幔边界条件下的高压作用, 液态Ni原子比常压和低压下的Ni原子扩散得更慢, 且在弛豫过程中出现了β弛豫.     

NiO-In2O3薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件及其气敏性

通过溶胶凝胶法(sol-gel)研制了NiO-In2O3复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件,并对传感元件的气敏性能进行了研究.实验结果表明,该传感元件对浓度为1×10-4(体积分数)的二甲苯气体具有较好的选择性,在常温下该传感元件能够检测到二甲苯气体的最低浓度是1×10-7(体积分数),所对应的响应及回复时间分别是3和26s,实验相对标准偏差范围是18%±1%.     

三维超分子结构多金属氧酸盐(H2en)3[(NiO6)Mo6O18(As3O3)2]Cl2·6H2O 的合成与结构表征

以Na₂MoO₄·2H₂O, Na₃AsO₃, NiCl₂·6H₂O, 乙二胺等为原料, 通过常温水溶液方法合成一例Anderson 结构衍生物(H₂en)₃[(NiO₆)Mo₆O₁₈(As₃O₃)₂]Cl₂·6H₂O (1, en = ethylenediamine),并对其进行了红外、紫外、热重、X 射线粉末衍射及X 射线单晶结构测定. 晶体结构测定表明, 化合物属于三斜晶系, P-1 空间群, 晶胞参数: a = 0.94190(6) nm, b = 1.08612(8) nm, c = 1.10976(8) nm, α = 95.6890(10)°, β = 92.6460(10)°, γ = 90.8800(10)°, V = 1.12828(14) nm³, Z = 1, R₁ = 0.0441, wR₂ = 0.1189. 化合物1 分子由一个[(NiO₆)Mo₆O₁₈(As₃O₃)₂]^4-阴离子, 2 个Cl^-离子, 3 个质子化的乙二胺和6 个结晶水组成. 杂多阴离子[(NiO₆)Mo₆O₁₈(As₃O₃)₂]^4-借助氢键与质子化的乙二胺及Cl^-离子相连构筑成三维超分子结构.