激光法制备超细纳米金刚石的相变机理

为了研究激光法制备纳米金刚石的相变机理,采用纳秒脉冲激光冲击微米级石墨悬浮液,并做强酸高温氧化提纯处理,结合X射线衍射、喇曼光谱、高分辨率透射电镜等表征手段以及热力学和动力学分析方法,对实验结果进行了理论分析和实验验证。合成得到分散均匀、尺寸在4nm~12nm的超细纳米金刚石。结果表明,纳秒激光辐照下,石墨是通过固态-气态-液态-固态的形式转变为金刚石结构的;与毫秒脉冲激光相比,高功率密度、短脉宽的纳秒激光为金刚石核的生长提供了大的过冷度,提高了金刚石的形核率和生长速率;但是纳米金刚石的生长温度范围极小,冷却过程中石墨结构与金刚石结构同时形核、长大,引起金刚石颗粒表面的石墨化,限制了纳米金刚石的生长。     

脉冲激光技术用于亚稳态纳米晶材料的制备

文中描述了我们最近发展的一种制备亚稳态纳米晶材料的脉冲激光技术即脉冲激光诱导液－固界面反应法。这种方法已经成功地合成了金刚石、碳氮等一系列重要的超硬纳米晶材料。     

不同脉宽激光导致的纳米金刚石尺寸差异的热力学和动力学分析

针对激光烧蚀碳悬浮液以及液体介质中的石墨靶形成不同尺寸大小的纳米金刚石,对金刚石颗粒的形成进行了分析.基于激光器参数以及合成条件比较分析了两种烧蚀产生的物理化学差异,并根据热力学条件计算了金刚石颗粒的平衡尺寸和激光烧蚀后形成的碳团簇的冷却速度以及Wilson-Frenkel生长定律进一步计算了纳米金刚石的生长速度、生长时间、生长尺寸.计算结果表明,不同参数的激光烧蚀条件下产生的高温高压碳团簇的大小和密度决定了冷却速度以及生长时间,并最终决定了纳米金刚石尺寸.另外根据金刚石晶体最低能量计算结果也验证了超细纳米金刚石形成的理论基础.动力学与热力学理论计算结果和实验结果相一致,合理解释了不同尺寸纳米金刚石的形成.     

多脉冲激光修整青铜金刚石砂轮的表面变质层

对脉冲激光修整青铜金刚石砂轮石墨变质层进行了理论研究,当激光功率密度为1.68×10~8~3.359×10~8 W/cm~2时,对金刚石表面的温度演化进行了数值仿真。研究结果表明,金刚石达到石墨化温度的时间约为435~440ns,金刚石的石墨化程度较低。提出了水柱流辅助脉冲光纤激光修整青铜金刚石砂轮的新方法,降低了金刚石的石墨化程度。     

大功率准分子激光制备类金刚石膜及场发射性能

采用大功率高重复频率准分子激光溅射热解石墨靶制备了类金刚石膜,研究了激光功率密度和重复频率对类金刚石膜的结构及场发射性能的影响.保持重复频率不变,提高激光功率密度可提高膜中sp3键碳的含量和膜的场发射性能;在最佳激光功率密度下,当重复频率由200 Hz提高到500 Hz,膜中sp3键碳的含量和膜的场发射性能先提高,后降低,在300 Hz时达到最佳.在300 Hz重复频率、1010W/cm2激光功率密度下.膜的发射阈值电场为26 V/μm,在34 V/μm的电场下测得电流密度为14μA/cm2.根据类金刚石膜的场发射机理对上述结果进行了分析解释.     

毫秒激光致铝熔融液体准稳态喷溅的模型

通过对毫秒激光致铝(Al)熔融液体喷溅过程中 热通量的研究,建立了熔液在轴对称坐标下形成准稳态 喷溅的运动模型;进而通过解析和数值计算相结合的方法,得到了熔液准稳态喷溅过程中靶 材的中心点温 度、熔液表面的流动速率、熔池中心点的下降速度以及熔液喷溅后熔池的形貌。计算得到的 熔池中心点下 降速度随脉冲激光作用时间的增加而减小,熔液表面流动速率在准稳态喷溅时随熔池半径的 增加而增大。 计算得到的熔池形貌与实验结果相吻合,继而分析了毫秒激光致Al熔液准稳态喷溅时熔池中 心点温度和气 化区域半径随作用激光功率密度的变化关系。随作用激光功率密度的增加,更多的激光能量 转化为靶材的 内能,从而增加了熔液准稳态喷溅时熔池中心点的温度和气化区域半径。     

石墨转化纳米金刚石相变分子动力学模拟研究

为了探讨1维微尺度热传导模型不同激光能量对石墨转化纳米金刚石相变机理的影响，采用基于密度泛函理论的分子动力学方法模拟优化后的石墨结构，用有限差分法计算了激光辐照石墨表面的温度分布；基于sp³杂化键可以明显地区分金刚石和石墨结构，根据能量耦合得到不同激光能量条件下辐照石墨的态密度带隙，研究了碳原子键合条件。结果表明，只有当激光能量达到5 J时，才能形成少量sp³杂化碳原子；随着激光能量的增加，液相下受辐照的石墨表面的温度随之增加，碳原子中的自由电子更容易移动到成键分子轨道，电子的电负性增强，从而增强sp³键的极性，并有助于将sp²键转变为sp³键。该研究结果对在液相激光辐照下提升纳米金刚石制备效率、探究纳米金刚石制备机理有重要的现实意义。     

脉冲激光退火纳米碳化硅薄膜的拉曼散射研究

采用XeCl准分子激光实现了碳化硅薄膜的脉冲激光晶化,对退火前后薄膜样品拉曼散射谱特征进行了分析,探讨了激光能量密度对纳米碳化硅薄膜结构和物相特性的影响.结果显示晶态纳米碳化硅薄膜的拉曼散射峰相对体材料的特征峰显著宽化和红移,并显示了伴随退火过程存在着硅和碳的物相分凝现象.随着激光能量密度的增大,薄膜的晶化度提高,晶化颗粒增大,而伴随的分凝程度逐渐减小.     

飞秒激光溅射沉积法制备碳薄膜

在气压为1.33×10-4Pa和衬底温度为室温条件下,利用飞秒激光剥落石墨的方法在无催化层的硅(Si)衬底上加工碳纳米薄膜;探究了激光能量和沉积时间对碳纳米薄膜成膜情况的影响。通过拉曼光谱对碳纳米薄膜表面物质的组成进行了分析;利用扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)来显示薄膜的表面结构;实验结果显示,辐照时间对ID/IG的比值以及碳晶粒的大小都有显著的影响,并且高能量的飞秒激光脉冲能够促进碳晶粒的结晶。同时,在高能量的激光脉冲下沉积碳纳米薄膜,在Si表面发现了特殊图案的碳纳米结构:雪花状,方块状及四角星状。     

激光辐照纳米石墨转变产物的显微形貌和结晶度

在氩气的保护下,用具有振镜扫描系统的500 W光纤激光器辐照预置在单晶硅基体上的纳米石墨颗粒。探究了不同激光能量密度下,受激光辐照后的转变产物显微形貌和晶体结构。用透射电镜(TEM)、拉曼光谱、X射线衍射(XRD)分析了所获产物的显微形貌和晶体度。当激光能量密度达到3.33kJ/cm~2时,转变产物的尺寸与原始颗粒尺寸相比有所增大;当激光能量密度达到4.17kJ/cm~2时,可以在样品颗粒表面观察到线状形貌;而当激光能量密度达到8.33kJ/cm~2时,产物由原始的多晶结构转变成了块状的晶体结构。实验结果表明:激光能量密度对单晶硅基体上纳米石墨颗粒显微形貌和晶体结构的转变有很大的影响。     

激光能量密度对原位生成纳米石墨的影响

研究了直径尺度为50 m的片状石墨,在不同激光能量密度的辐照下,原位生成纳米粒状石墨的微观结构及形貌,初步探讨了激光辐照参数与微米石墨原位生成纳米石墨之间的规律。采用高分辨透射电镜（HRTEM）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）对制备的纳米石墨的晶体结构及显微形貌进行了测试、分析。试验结果表明:在激光能量密度为5.00 kJ/cm2时,试样由微米片状石墨原位生成分散性较好的、平均粒径为245 nm的球状石墨;在激光能量密度提高到6.25 kJ/cm2时,样品原位生成双向生长的椭球状石墨,有团聚现象产生,平均粒径为240 nm;在激光能量密度达到12.50 kJ/cm2时,微米片状石墨转变成大量的球状石墨,平均粒径为61.5 nm;在激光能量密度继续增加到13.75 kJ/cm2时,产物呈现小颗粒附着在大颗粒上的现象,粒径范围为150~500 nm,平均粒径达280 nm。     

目标运动对激光辐照温度场的影响

以地基激光辐照运动目标为研究背景,分析运动目标辐照参数特性对激光辐照温度场的影响。首先,在设定交互场景的基础上,求解激光辐照参数,总结运动目标激光辐照参数的特点为:平均功率密度随目标运动不断变化;辐照面域光束强度空间分布为椭圆形高斯分布;目标表面存在强制热对流。其次,利用有限容积法求解激光辐照运动目标温度场分布。最后,分析运动目标辐照参数特性对温度场分布的影响。分析结果表明:随着目标的运动,激光辐照平均功率密度不断增加,目标温升速率不断增加;激光束辐照运动目标的角度不同,辐照面域的光束强度空间分布不同,温升区域也不相同;运动目标表面存在强制热对流形式的能量交换,减缓了表面温升。     

激光蒸凝法制备纳米氧化锌粒子的研究

以Zn(Ac) 2 ·2H2 O为原料 ,采用激光蒸凝法制备纳米氧化锌粒子 ,并研究了反应条件对纳米氧化锌粒子的粒径、形貌和收率的影响 ,用X射线衍射仪、透射电镜对样品进行了表征。实验结果表明 ,激光功率密度、反应压力、载气种类及流量等反应参数对粒子的粒径、形貌、收率等性能均有一定影响。反应压力越低 ,载气流量越大 ,粒子的粒径越小。当激光功率为110W ,镜距 32cm时 ,粒子的收率最高。     

激光辐照对红外探测器的损伤

根据红外探测器的结构特点和传热学理论,研究激光干扰机的激光器对探测器的损伤效果。以InSb探测器为例,设定入射激光从顶层辐照,结合各层之间热传导效应建立分层热模型。考虑激光在空间上的分布为高斯分布,给定初值和边界条件,利用Matlab偏微分工具箱进行建模仿真。重点研究了辐照距离、辐照时间和激光器功率等因素对探测器损伤效果的影响,给出了相应的仿真结果。当连续激光功率为50 W、距离为200 m、辐照时间为3 s时,对探测器的损伤效果主要是软损伤,受激光功率密度所限,未能造成永久性破坏。     

影响激光抛光效果的因素分析

激光抛光是一种非接触式抛光方法.分析了影响激光抛光效率和抛光表面质量的因素及其影响规律,并提出激光抛光工艺参数的选择原则.激光抛光过程中,激光能量密度、激光波长、激光脉宽、激光光束入射角、激光光束扫描速度、扫描方式、工件材料性质和结构等因素对激光抛光效果有着重要影响.激光波长决定着材料的去除方式,从而对抛光表面质量有着较大影响;激光的能量密度与辐照时间对激光抛光效果的影响最大,而激光脉宽、激光光束扫描速度和扫描方式三个因素决定着激光的辐照时间,激光扫描速度和光束扫描方式还影响着激光辐照光斑重叠情况,从而影响激光抛光效果.     

激光强度的时间和空间分布对多光子过程的影响

在激光强度接近实际的时间和空间分布下,计算了三能级系统（１＋１）多光子过程电离效率和光强指数随激光能量的变化关系。并将各种分布情况下的计算结果与采用方波近似得到的结果进行了比较,得到了激光强度的时间和空间分布对多光子过程的影响。实验也证实了模拟计算结果的正确性。     

低功率CO2激光辐照对多层石墨烯结构的影响

在真空环境下使用不同功率密度的CO2激光对化学气相沉积法(CVD)生长的石墨烯进行辐照,通过研究辐照前后的拉曼光谱变化考察了激光功率密度及辐照时间对多层石墨烯结构的影响。结果表明,当功率密度较低(13W/cm2)时,石墨烯拉曼光谱中的D峰降低,2D峰增强,石墨烯内的掺杂、缺陷减少。随着功率密度的增加,石墨烯的缺陷增多,部分缺陷连接形成晶界,使石墨烯分解为纳米晶。在58 W/cm2的功率密度下,当作用时间为120s时,在石墨烯表面产生非晶碳。研究表明,适当参数的CO2激光辐照能改善石墨烯的内在性能。     

激光辐照皮肤组织的热效应解析计算研究

为了研究工作波段在近红外的激光安全问题,建立了连续激光辐照生物组织的热学模型,通过分离变量法求解热传导方程,得出了生物组织在激光辐照阶段和扩散阶段皮肤组织瞬态温度分布的精确解析解,并以氧碘激光辐照皮肤组织为例,计算了皮肤组织在激光辐照下的温度场分布。结果表明,皮肤组织温升随激光辐照时间和功率密度的增加而增加,辐照结束后,皮肤表面温度缓慢下降,深处温度先缓慢上升,再缓慢下降。分析结论与相关实验结果取得一致,证实了所建模型的合理性。该结论对于其它连续激光对物质的热损伤研究是有帮助的。     

高功率激光作用下光学元件非线性热效应研究

为了研究高功率激光作用下光学元件热效应的非线性特性对光束质量的影响, 基于热传导、热弹性力学、物理光学等基础理论, 采用有限元分析方法, 进行了高功率连续激光(功率密度约为500kW/cm2)作用下光学元件的温度场和位移场的计算; 分析对比了各个参数的非线性特性对光学元件热效应的影响; 探讨了不同材料、不同形状光斑辐照下的光学元件非线性热效应。结果表明, 高功率连续激光作用下光学元件所反映出的热学、力学和光学吸收存在着不同程度的非线性效应, 其强弱取决于光学元件材料、光斑形状等因素; 高斯激光辐照熔石英样品且吸收率为100×10-6时, 考虑物性参数和温度边界条件的非线性, 会引起表面最大温升16%的相对误差和表面变形峰谷值10%的相对误差。这一结果为开展与此相关的研究提供了一些新思路。