光阱刚度与实验条件的依赖关系_陈洪涛
硅量子点镶嵌薄膜材料的非线性光学性质[1]
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华侨大学硕士毕业论文
论文摘要
光电材料非线性的大小和性质直接决定了它在非线性光电器件方 面的应用 本文采用等离子体增强化学气相沉积 (PECVD) 方法制备的
a -SiNx:H, The real part of the third-order susceptibility is 2.00 × 10−3 esu ,
whilst theimaginary part is −5.51×10−4 esu . The (nc-Si/SiO2)/SiO2 is a self -defocusing media with the property of reverse saturation absorption. The (nc-Si/ a -Si:H)/ a -SiNx:H is a self-focusing media with the property of saturation absorption. These novel optical property we attribute the quantum confinement and dielectric Confinement effect of materials. (nc-Si/SiO2)/SiO2 will be applied extensively in the field of laser protection and optical limiting devices; (nc-Si/ a -Si:H)/ a -SiNx:H will be applied in area of the q-switched, mode-locked devices and optical bistable devices.
《界面处理调控InGaN-GaN多量子阱结构光学性能的研究》范文
《界面处理调控InGaN-GaN多量子阱结构光学性能的研究》篇一界面处理调控InGaN-GaN多量子阱结构光学性能的研究一、引言随着半导体光电子技术的飞速发展，InGaN/GaN多量子阱（MQW）结构因其独特的能带结构和优异的光学性能，在光电器件领域中得到了广泛的应用。
然而，其光学性能的优化与调控一直是科研领域的热点和难点。
界面处理作为影响MQW结构光学性能的关键因素之一，其调控手段及效果的研究显得尤为重要。
本文旨在探讨界面处理对InGaN/GaN多量子阱结构光学性能的调控机制及影响，以期为优化光电器件性能提供理论依据。
二、InGaN/GaN多量子阱结构概述InGaN/GaN多量子阱结构是一种典型的半导体异质结构，由交替排列的InGaN和GaN薄层组成。
其能带结构具有独特的梯度变化，使得电子和空穴在量子阱中发生有效的限制和复合，从而产生强烈的光发射效应。
然而，由于界面处存在悬挂键、电荷积累等问题，界面质量对MQW结构的光学性能具有显著影响。
三、界面处理技术及其对光学性能的影响界面处理技术是改善MQW结构光学性能的关键手段。
常见的界面处理方法包括：表面钝化、原子层沉积、等离子体处理等。
这些方法能够有效减少界面悬挂键、提高界面平整度、降低电荷积累等，从而优化MQW结构的光学性能。
（一）表面钝化技术表面钝化是通过在界面处引入一层介质层或原子层，以消除悬挂键和减少表面缺陷。
这种方法能够显著提高MQW结构的发光效率和稳定性。
例如，通过使用氢化处理（HCl或H2），将InGaN/GaN界面处的悬挂键进行饱和处理，能够有效提高光输出功率和发光强度。
（二）原子层沉积技术原子层沉积是一种利用气相化学反应在低温条件下实现高精度的原子层尺度沉积技术。
该方法可以在界面处精确控制薄膜厚度和组分，有效改善界面质量和减少电荷积累。
此外，通过选择合适的沉积材料（如高k介质材料），可以提高MQW结构的电子势垒高度和电子限域效应，从而优化其光学性能。
迈克尔逊干涉研究性实验报告
北京航空航天大学物理研讨性试验陈述光的分振幅干预：迈克尔逊干预第一作者：14071150 苟震宇地点院系：机械工程及主动化学院第二作者：14071148 许天亮地点院系：机械工程及主动化学院目录┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 3┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 3┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄6┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄7五.数据处理┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄8六.误差剖析┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄10┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄13八.试验感触┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄14九.参考文献┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 14十.原始数据┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄┄ 15迈克尔逊干预仪是一种用分振幅法实现干预的周详光学仪器,应用该仪器可以准确地测量单色光的波长,但是往往因为试验进程中调节仪器和测量计数时的掉误, 可能会导致较大的误差.本研讨性试验陈述以迈克尔逊干预为试验依托,阐述试验道理及试验步调,然落后行数据收集和数据处理,对误差的起源进行了具体的剖析.最后对试验进程进行反思.二.试验道理(1)迈克尔逊干预仪的光路迈克尔逊干预仪的光路图如图1所示,从光源S发出的一束光射在分束板G1上,将光束分为两部分：一部分从G1半反射膜处反射,射向平面镜M2;另一部分从G1透射,射向平面镜M1.因G1和全反射平面镜M1.M2均成45°角,所以两束光均垂直射到M1.M2上.从M2反射回来的光,透过半反射膜;从M2反射回来的光,为半反射膜反射.二者汇集成一束光,在E处即可不雅察到干预条纹.光路中另一平行平板G2与G1平行,其材料厚度与G1完整雷同,以抵偿两束光的光程差,称为抵偿板.反射镜M1是固定的,M2在周详导轨上前后移动,以转变两束光之间的光程差.M1,.M2后面各有三个螺钉来调节平面镜的方位,M1的下方还附有两个偏向互相垂直的弹簧,松紧他们,能使M1支架产生渺小变形,以便准确地调节M1.在图1所示的光路中,M1’是M1被P1半反射膜反射所形成的虚像.对不雅察者而言,两相关光束等价于从M1’和M2反射而来,迈克尔逊干预仪所产生的干预斑纹就如同M1’与M2之间的空气膜所产生的干预斑纹一样.若M1’.M2平行,则可视作折射率雷同.夹角恒定的楔形薄膜.（2）单色电光源的非定域干预条纹M2’平行M1且相距为d.点光源S 发出的一束光,对M2’来说,正如S ’处发出的光一样,即SG=S ’ G;而对于在E 处的不雅察者来说,因为M2的镜面反射,S ’点光源如同处在地位S2处一样,即S ’M2=M2S2.又因为半反射膜G 的感化,M1的地位如处于M1’的地位一样.同样对E 处的不雅测者,点光源S 如处于S1处.所以E处的不雅察者所不雅察到的干预条纹如同虚光源S1.S2发出的球面波,它们在空间处处相关,把不雅察屏放在E 空间不合地位处,都看见恶意看到干预名堂,所以这一干预长短定域干预.假如把不雅察屏放在垂直于S1.S2连线的地位上,则可以看到一组齐心圆,而圆心就是S1.S2连线与屏的核心E.设在E 处（ES2=L ）的不雅察屏上,离中间E 点远处有一点P,EP 的距离为R,则两束光的光程差为： 2222)2(R L R d L L +-++=∆L>>d 时,睁开上式并略去d ²/L ²,则有ϕcos 2/222d R L Ld L =+=∆式中φ是圆形干预条纹的倾角.所以亮纹前提为λϕk =cos d 2...)3,2,1(=k由上式可见,点光源圆形非定域干预条纹有以下特色：1.当 d.λ一准时,角雷同的所有光线的光程差雷同,所以干预情形也完整雷同;对应于统一级次,形成以光轴为圆心的齐心圆系.2.当 d.λ一准时,如φ=0,干预圆环就在齐心圆环中间处,其光程差∆λ=2d 为最大值,依据明纹前提,其k也为最高等数.如φ≠0,φ角越大,cosφ越小,k值也就越小,即对应的干预圆环越靠外,其级次k也越低.3.当k.λ一准时,假如d逐渐减小,则cosφ将增大,即φ比赛渐减小.也就是说,统一k级条纹,当d减小时,该级圆环半径减小,看到的现象是干预圆环内吞：假如d逐渐增大,同理,看到的现象是干预圆环外扩.对于中心条纹,若内缩或外扩N次,则光程差变更为2∆d=Nλ.式中,∆d为d的变更量,所以有：λ=2∆d/N4.设φ=0时最高等次为,则：k0=2d/λ同时在能不雅察到干预条纹的视场内,最外层的干预圆环所对应的相关光的入射角为φ’,则最低的级次为k’,且k’=(2dcosφ’)/λ所以在视场内看到的干预条纹总数为：∆k=k0-k’=2d(1-cosφ)/λ当d增长时,因为φ’必定,所以条纹总数增多,条纹变密.5.当d=0时,则∆k=0,即全部干预场内无干预条纹,见到的是一片明暗程度雷同的视场.当d.λ一准时,相邻两级条纹有下列关系：2dcosφk=kλ2dcosφk+1=(k+1)λ设φk≈(φk+φk+1),∆φk=φk+1-φk,且斟酌到φk.φk均很小,则可证得：∆φk=-λ/2dφk式中,∆φk称为角距离,暗示相邻两圆环对应的入射光的倾角差,反响圆环条纹之间的疏密程度.上式标明∆φk与φk成反比关系,即环条纹越往外,条纹间角距离就越小,条纹越密.三.试验仪器迈克尔逊干预仪.氦氖激光器.小孔.扩束镜.毛玻璃.迈克尔逊干预仪的机械构造：图 2仪器的机械构造如图2所示.导轨7固定在一个稳固的底座上,由三只调平螺丝9支承,调平后可以拧紧固定圈10以保持座架稳固.丝杠6螺距为1mm.迁移转变粗着手轮2,经由一对传动比为10:1的齿轮副带动丝杆扭转,与丝杆啮合的开合螺母4经由过程转挡块及顶块带动镜11在导轨面上滑动,实现粗动.移动距离的毫米数可在机体正面的毫米刻度尺5上读得,经由过程读数窗口,在刻度盘3上读到0.01mm.迁移转变微着手轮1,经1:100蜗轮副传动,可实现微动,微着手轮的最小刻度值为0.0001mm.留意：迁移转变粗动轮时,微动齿轮与之离开,微着手轮读数不变;而迁移转变微着手轮时,则可带动粗动齿轮扭转.滚花螺钉8用于调节丝杆顶紧力,此力不宜过大,已由试验技巧人员调剂好,学生不要随便调节该螺钉.四.试验步调（1）迈克尔逊干预仪的调剂1.调节激光器,使激光束程度地射到M1.M2反射镜中部并垂直于仪器导轨.起首将M1.M2不和的三个螺钉及两个微调拉簧均拧成半松,然后高低移动.阁下扭转激光器俯仰,使激光器入射到M1.M2反射镜中间,并使M1.M2放射回来的光点回到激光束输出镜面中间.2.调节M1.M2互相垂直在光源前放置一小孔,让激光束经由过程小孔入射到M1.M2上,依据放射光点的地位对激光束做进一步细调,在此基本上调剂M1.M2不和的三个方位螺钉,使两镜的反射光斑均与小孔重合,这时M1于M2根本垂直.（2）点光源非定域干预条纹的不雅察和测量1.将激光器用扩束镜扩束,以获得点光源,这时毛玻璃不雅察屏上应消失条纹.2.调节M1镜下方微调拉簧,使之产生圆环非定域干预条纹,这时M1与M2的垂直程度进一步进步.3.将别的一块毛玻璃放到扩束镜与干预仪之间以获得面光源.放下毛玻璃不雅察屏,用眼睛直接不雅察干预环,同时细心调节M1的两个微调拉簧,直至眼睛高低阁下晃悠时,各干预环大小不变,即干预环中间没有被吞吐,只是圆环整体随眼睛一路平动.此时得到面光源定域等倾干预条纹,解释M1与M2严厉垂直.4.移走小块毛玻璃,将毛玻璃不雅察屏放回原处,仍不雅察点光源等倾干预条纹.转变d值,使条纹外扩或内缩,应用公式λ=2Δd/N测出激光的波长.请求圆环中间每吞吐1000个条纹,即明暗变更100次记下一个d值,持续测量10个d值.（1）迈克尔逊干预仪的调剂1.调节激光器,使激光束程度地射到M1.M2反射镜中部并垂直于仪器导轨.起首将M1.M2不和的三个螺钉及两个微调拉簧均拧成半松,然后高低移动.阁下扭转激光器俯仰,使激光器入射到M1.M2反射镜中间,并使M1.M2放射回来的光点回到激光束输出镜面中间.2.调节M1.M2互相垂直在光源前放置一小孔,让激光束经由过程小孔入射到M1.M2上,依据放射光点的地位对激光束做进一步细调,在此基本上调剂M1.M2不和的三个方位螺钉,使两镜的反射光斑均与小孔重合,这时M1于M2根本垂直.（2）点光源非定域干预条纹的不雅察和测量1.将激光器用扩束镜扩束,以获得点光源,这时毛玻璃不雅察屏上应消失条纹.2.调节M1镜下方微调拉簧,使之产生圆环非定域干预条纹,这时M1与M2的垂直程度进一步进步.3.将别的一块毛玻璃放到扩束镜与干预仪之间以获得面光源.放下毛玻璃不雅察屏,用眼睛直接不雅察干预环,同时细心调节M1的两个微调拉簧,直至眼睛高低阁下晃悠时,各干预环大小不变,即干预环中间没有被吞吐,只是圆环整体随眼睛一路平动.此时得到面光源定域等倾干预条纹,解释M1与M2严厉垂直. 4.移走小块毛玻璃,将毛玻璃不雅察屏放回原处,仍不雅察点光源等倾干预条纹.转变d值,使条纹外扩或内缩,应用公式λ=2Δd/N测出激光的波长.请求圆环中间每吞吐1000个条纹,即明暗变更100次记下一个d值,持续测量10个d 值.五.试验数据处理用逐差法处理△d.A类不肯定度B类不肯定度△∵N=100∴条纹持续读数的最大断定误差不超出△N=1 ∴N的不肯定度只有B类不肯定度由不肯定度合成,得：六.误差剖析（1）可定量剖析的误差1.M1和M2不严厉垂直导致试验成果偏大;经由过程剖析, 比较可知, 在现实试验前提下无法做到镜面M1和镜面M2严厉平行是产生误差的重要原因.若M1与M2’消失渺小的夹角α,那么现实从刻度读出的移动距离不等于M1.M2 之间空气膜的厚度变更, d会偏大.λ偏大.如图所示, ()222212e d l l α=++, 故L ∆=()222212d l l α++0r →故： L ∆=()222212d l l α++e ==k λ 故此时：e N λ∆=()()()22222211212N d d l l d l l αα⎛⎫=+-+ ⎪⎝⎭+∆++即我们盘算所得的的波长大于真实波长.≈2.因为温度和空气湿度不合而引起空气折射率的变更,从而导致误差.经查阅材料得知空气的折射率跟着温度成指数衰减,在20℃时的空气折射率是1.000276.,其误差不超出3 /10000.（2）定性剖析误差仪器长期应用, 仪器原件接触点会产生松动或磨损, 使得正反空程误差超出许可值.学生在测量时就会发明迁移转变微调手轮时, 干预环变更迟缓, 从而使其读数与干预环数不相符.没有清除空程误差,我们在做双棱镜等光学试验时都要进行正转和反转测量,而在本试验中只进行单偏向的迁移转变测量,如许因为器械的不周详会带来必定的误差.（2）在计数100条条纹时,漏数或错数,λ的大小与N有直接的联系关系,漏数或错数势必会使λ的值产生转变.在全部进程中,N的误差会累积,最终导致成果的误差变大.是以试验请求在计数中100圈里最多只能漏数或错数1圈条纹.任何光源都不是由单一波长的光构成,是由波长邻近的一些光构成,也就是说我们得到的波长只是一个平均值.七.经验总结针对试验中消失的一些问题,我们总结了一些在经验,能起到必定的借鉴感化1. 肇端地位的拔取调出干预条纹后, 经由过程扭转微调鼓轮可不雅察到条纹“冒出”和“陷入”的情形.在测量时, 两种情形都是可取的.本试验须要长时光盯着屏上的干预图样不雅察, 学生在试验中须要测量的干预条纹较多, 轻易因眼睛疲惫视野隐约消失误差, 为了有用减轻眼睛的累赘, 从呵护眼睛的角度动身, 一般建议选中间为暗斑时作为肇端地位开端测量.2.图样变更忽然中止的调节技能有时可能会碰到如许的情形,迁移转变微调鼓轮时, 干预环变更迟缓, 甚至消失图样变更忽然中止的现象, 从而使其读数与干预环数不相符.此时应该将移动镜拖板从新调节固定, 削减闲暇; 旋紧传动螺母上的紧固螺纹, 使螺杆挡板与导轨间隙达到正常规模.八.试验感触当我们在刚开端做这个试验之前,我们预习得很卖力,还去问了许多做过这个试验的同窗,向他们就教一些须要留意的地方,而我们亲自着手去做这个试验的时刻照样碰到了许多艰苦,有一些是本身没有调剂好造成的,还有一些是试验仪器造成的,所以我们对此进行了总结.迈克尔逊干预是一项重大的创造,它的感化远不止我们试验室测量激光波长那么简略,它是多种专业干预仪的开山祖师,我们能闇练地操纵它便意味着我们能很轻易操纵其他干预仪.别的,在做试验的时刻我们照样要加倍具有耐烦,在迈克尔逊干预试验中,合计要数1000次干预条纹吞或者吐,这须要我们失去足够的耐烦,如许子才干很好地完成试验.九.参考文献：参考文献：[1]李朝荣,徐平,唐芳,王慕冰.基本物理试验（修订版）[M].北京：北京航空航天大学出版社,2010:197—205.[2]吴百诗主编.大学物理学下册[M].北京：高等教导出版社,2004:221—226. 十．原始数据。
《界面处理调控InGaN-GaN多量子阱结构光学性能的研究》范文
《界面处理调控InGaN-GaN多量子阱结构光学性能的研究》篇一界面处理调控InGaN-GaN多量子阱结构光学性能的研究一、引言随着半导体光电子技术的快速发展，InGaN/GaN多量子阱（MQW）结构因其优异的发光性能和光电转换效率，在LED、激光器等光电器件中得到了广泛应用。
然而，其光学性能的优化与调控一直是研究的热点与难点。
本文针对界面处理对InGaN/GaN多量子阱结构光学性能的影响进行研究，旨在通过界面调控技术，提高MQW结构的光学性能。
二、InGaN/GaN多量子阱结构概述InGaN/GaN多量子阱结构是一种由交替生长的InGaN和GaN 薄层组成的周期性结构。
这种结构具有能带工程可调、高电子迁移率等优点，在光电器件中具有重要应用。
然而，在生长过程中，界面处容易出现非辐射复合中心，影响MQW结构的光学性能。
因此，如何优化界面处理技术，减少非辐射复合中心的形成，成为提高MQW结构光学性能的关键。
三、界面处理技术及其对光学性能的影响界面处理技术是提高InGaN/GaN多量子阱结构光学性能的重要手段。
通过优化生长条件、引入缓冲层等方法，可以改善界面质量，减少非辐射复合中心的形成。
本文从以下几个方面探讨了界面处理技术对光学性能的影响：1. 生长条件优化：通过调整生长温度、压力、气体流量等参数，可以优化InGaN和GaN薄层的生长过程，减少界面处的缺陷。
同时，采用适当的氮化物缓冲层可以进一步改善界面质量。
2. 缓冲层引入：在InGaN/GaN多量子阱结构中引入缓冲层，如AlN或InN等，可以有效地减少界面处的应力，降低非辐射复合中心的形成概率。
此外，缓冲层还可以作为势垒层，提高电子和空穴的注入效率。
3. 界面粗糙度控制：通过精确控制生长过程，可以降低界面粗糙度，减少散射损失。
此外，界面粗糙度的降低还有助于提高载流子的传输效率，从而提高MQW结构的光学性能。
四、实验结果与分析为了验证界面处理技术对InGaN/GaN多量子阱结构光学性能的影响，我们进行了以下实验：1. 制备不同界面处理条件的InGaN/GaN多量子阱样品，包括生长条件优化、缓冲层引入以及界面粗糙度控制等。
振动理论讲义第5章 瞬态振动 (1)
(t ) 0, t
比任意假定值大, t
(5.2) (5.3)
t dt 1.0 0
0
t 乘以任意函数 f t (图 5.2)， 其乘积在
时间积分满足
处不为零，其余各处均为零，且其
f t t dt f , 0
t 0
(5.9)
这个积分称为卷积分 （convolution integral） ，有时也称为叠加积分(superposition integral). 对于基底激励，在动力系统的支承遭受突然的运动（可以用位移、速度或者加速度 来描述）时，其运动方程可以用相对位移 来表示：
2 n z 2 n z z y
第5章 瞬态振动
系统受到突然施加的非周期性激励时，通常不会产生稳态的振动，因而此时所产生的响 应，称为瞬态振动。此类振动通常以固有频率发生，其振幅随激励的类型而变化。
5.1 冲量激励
冲量是力的时间积分，用 表示: ˆ F t dt F (5.1)
具有很大的量值但是作用时间很短的力，其时间积分是有限的。此类的力称为冲力。
振动理论
北京大学力学系 陈永强
Contents
第 5 章 瞬态振动 ...................................................................................................................... 1 5.1 冲量激励 ..................................................................................................................... 1 5.2 任意激励 ..................................................................................................................... 3 5.3 拉普拉斯变换表达式 ................................................................................................. 4 5.4 脉冲激励和上升时间 ................................................................................................. 6 5.4.1 上升时间段(Rise time) .................................................................................... 6 5.4.2 矩形脉冲 .......................................................................................................... 7 5.4.3 半正弦脉冲 ...................................................................................................... 8 5.5 冲击响应谱 ................................................................................................................. 9 5.6 冲击隔离 ................................................................................................................... 12 5.7 有限差分数值计算 ................................................................................................... 13 5.8 Runge-Kutta 法 .......................................................................................................... 17 5.9 参考书 ....................................................................................................................... 19 5.10 习题 ......................................................................................................................... 19
采用玻尔兹曼统计法分析光阱刚度的测量精度
采用玻尔兹曼统计法分析光阱刚度的测量精度朱春丽;李静【摘要】考虑高精度的光阱刚度测量是光阱力测量的关键,本文提出了采用玻尔兹曼统计法来分析光阱刚度的测量精度.首先,描述了实验室搭建的近红外光镊系统,并将其搭建在暗室中的气垫平台上,以便隔离光干扰和振动干扰.然后,用四象限光电探测器探测被光镊捕获的微球向后散射的光,并选用与溶液黏度无关的玻尔兹曼统计法计算样品池底面附近的光阱刚度.最后,分析和讨论了溶液温度的变化、四象限光电探测器的灵敏度、采样频率以及采样时间对光阱刚度测量精度的影响.理论分析及实验计算显示:溶液温度的变化对光阱刚度的测量影响很小,但四象限光电探测器的灵敏度对光阱刚度测量精度影响较大.考虑采样的完整性和数据处理速度,采样频率通常取为被捕获颗粒拐角频率的5～10倍.对于本文搭建的近红外光镊测量系统,采样时间取为1～7 s时,可以保证高精度地测量光阱刚度.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2016(024)008【总页数】6页(P1834-1839)【关键词】光镊;近红外光镊系统;光阱刚度测量;玻尔兹曼统计法【作者】朱春丽;李静【作者单位】中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽合肥230027;中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽合肥230027【正文语种】中文【中图分类】TN2161986年，Ashkin等人首次报导了光镊技术[1]，之后光镊技术便被大量地运用于物理和生物学领域中，例如微观颗粒的操纵、分类和构型[2-4]，胶体物理的研究[5]以及在单分子水平对生物分子的研究[6]等。
在这些应用中，通常需要测量光镊施加在微粒或生物分子上的光阱力。
在光镊系统中，光镊施加在颗粒上的光阱力等于测量出的光阱刚度乘以被捕获颗粒相对于光阱中心的位移。
通常用相机[7]和四象限光电探测器[8]测量被捕获颗粒的位移，可以达到纳米级精度。
比较常用的几种光阱刚度的测量方法有流体力学法[9]、外加周期力法[10]、功率谱法[11]、能量均分法[12]和玻尔兹曼统计法[12]。
量子阱原理及应用
光子学原理课程期末论文——量子阱原理及其应用信息科学与技术学院 08电子信息工程杨晗 23120082203807题目：量子阱原理及其应用作者：杨晗 23120082203807摘要：随着半导体量子阱材料的发展,量子阱器件广泛应用于各种领域.本文主要介绍量子阱的基本特征,重点从量子阱材料、量子阱激光器、量子阱LED、等方面介绍量子阱理论在光电器件方面的发展及其应用。
关键词：量子阱量子约束激光器量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。
量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。
在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱，简单来说，就是由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱，简称为MQW（Multiple Quantum Well），而由一个势阱构成的量子阱结构为单量子阱，简称为SQW（Single Quantum Well）。
一量子阱最基本特征由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。
在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。
如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。
有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。
量子肼中的电子态、声子态和其他元激发过程以及它们之间的相互作用，与三维体状材料中的情况有很大差别。
在具有二维自由度的量子阱中，电子和空穴的态密度与能量的关系为台阶形状。
高分子物理实验思考题(自整理)
实验一黏度法测定聚合物分子量1.实验操作中，哪些因素对实验结果有影响？粘度管口径，粘度管是否垂直及是否干净，溶液密度，人的读数误差，秒表精度等等。
2.如何测定mark-houwink方程中的参数k，α值？答：将聚合物式样进行分级，获得分子量从小到大比均一的组分，然后测定各组分的平均分子量及特性粘度[η]=kMα，两边取对数，作图得斜率和截距。
实验二偏光显微镜法观察聚合物球晶1.聚合物结晶体生长依赖什么条件，在实际生产中如何控制晶体的形态？依赖于分子结构的对称性与规整性，以及温度，浓度，成核剂，杂质，机械力等条件。
①控制形成速度：将熔体急速冷却生成较小球晶，缓慢冷却则生成较大球晶②采用共聚的方法：破坏链的均一性和规整性，生成小球晶3外加成核剂可获得甚至更微小的球晶。
实验三扫描电镜观察物质表面微观结构1.为什么样品边缘或者表面斜坡处比较亮？因为扫描电镜收集的是二次电子,通过收集的二次电子成像,而样品的边缘和斜坡处由于形貌都比较尖锐突出,所以对二次电子的反射强度高,因而在边缘和斜坡处的图像比较发亮。
2. 电镜的固有缺陷有哪几种？像闪是怎样产生的？球差，色差，衍色差，像闪。
极革化材料加工精度，极革化材料结构和成分不均匀性影响磁饱和，导致场的不均匀性造成像闪。
实验四DSC，DTA1.解释DSC和DTA测试原理的差异DTA是测量试样和参比物的温度差，而DSC使试样和参比物的温度相等，而测的是维持试样和参比物的温度相等所需要的功率DTA：测温差，定性分析，测温范围大，灵敏性低DSC：测能量差，定量分析，精度高，测温范围小（相对DTA）灵敏度高2.同一聚合物样品，TGA测试得到样品分解温度及分解步骤有差异，可能原因是什么？1，通入气体的种类即气氛不同，N2不参与反应，热效应小，影响不大；2升温速率不同，如果升温速率太快反应温度就会不均匀不能得到准确的峰，相反，试量少一些温度会相对均匀，就可以得到尖锐的峰形和相对准确的峰温；3，实验开始时仪器的校准不准确；4样品用量的多少，用量多一点好，在侧重感相同的情况下，可以得到较高的相对精度。
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第31卷 第11期2004年11月中 国 激 光CHINESE JOU RNAL OF LASERSVol .31,N o .11November ,2004 文章编号:0258-7025(2004)11-1361-06光阱刚度与实验条件的依赖关系陈洪涛1,李银妹1,楼立人2,龚 錾1,邱 俊2(中国科学技术大学1选键化学开放实验室,2物理系,安徽合肥230026)摘要 对微小力的测量是光镊系统的重要功能。
主要研究了进行微小力测量时所需的重要参数———光阱刚度与实验条件的依赖关系。
在以He -Ne 激光器为光源的光镊系统中,得到了光阱刚度随着阱位距离样品池底面高度的提升而减小,随着被捕获小球直径的增加而减小,以及光阱刚度与激光功率具有线性的依赖关系等经验规律,并作了定性的讨论。
最后给出了该系统所能达到的测力精度和测力范围。
关键词 测量与计量;光镊;光阱刚度;飞牛顿/皮牛顿力中图分类号 O 435 文献标识码 AExperimental Conditions Dependence of Trap Stiffness in Optical TweezersCHEN Hong -tao 1,LI Yin -mei 1,LO U Li -ren 2,GONG Zan 1,QIU Jun 2(1Open Laboratory of Bond Selective Chemistry ,2Department of Physics ,University of Science &Technology of China ,Hefei ,Anhui 230026,China )A bstract The measurement of tiny force is an important function of the optical tweezers ,for which the trap stiffness plays a key role in the measurement .In this paper ,the results of the experimental study on the regulation are repo rted that the trap stiffness changes with experimental co nditions .T he results show that the trap stiffness is linearly dependent o n the laser power and decreases with the trap height increasing of the bead .In additio n ,it decreases alo ng with the diameter increase of the trapped bead .T he results are qualitatively discussed .T he accuracy and range of force measurement are also analyzed .Key words measurement and metrolo gy ;o ptical -tweezers ;trap stiffness ;femto newton /piconewton for ce 收稿日期:2003-07-17;收到修改稿日期:2003-10-31 基金项目:国家自然科学基金(10072062)和中国科学院知识创新工程院重大项目(KJCX1-06-05)资助课题。
作者简介:陈洪涛(1976—),男,新疆人,中国科学技术大学物理系在读博士研究生,主要从事光镊技术和光学微操作微加工的研究和应用。
E -mail :htchen @mail .ustc .edu .cn 联系人:鲍建华,E -mail :Liyinmei @ustc .edu .cn1 引 言 微小宏观粒子的尺度从数十纳米到数十微米,它们是很多宏观物质系统的基本组成单元,光镊正是捕获操控这一尺度范围微粒的特有手段,是对这一尺度范围内微粒的个体行为进行研究的基本工具。
光镊的发明打开了在粒子层次上深入理解宏观粒子行为的大门[1]。
在生命科学、分散体系等涉及这种微粒的领域中,光镊技术已经得到了重要应用并且正向纵深发展[2,3]。
光镊能够操控微粒,实际上是光施加给微粒一个作用力,因此,光镊尤如一个力的探针,可以用来进行微小力的定量测量[4]。
光镊的这种独特功能已经被成功地应用在纳米生物学等研究领域[5,6],成为微小粒子的静态和动态力学过程研究的理想手段。
在生物大分子水平上,力学量是表征其特性和在生命过程中的作用的重要参量。
生物大分子的尺度为纳米量级,它要求力学量的测量具有与之相当的精度。
与这种要求相适应的纳米光镊技术正在迅速发展之中[7～9],微小力的精确测量是它最重要的方面之一,而光阱刚度的标定则是微小力测量的基础。
由于光阱刚度明显地依赖于实验条件,每次都需要根据具体条件对它进行标定。
因此,光阱刚度的精确测量和它随实验条件的变化规律是微小力测量的重要环节。
光镊技术中已经有多种方法可以实现光阱刚度的精确测量,如流体力学法、热运动分析法、角频率法和外加周期驱动力法等[10]。
本文主要采用热运动分析法研究光阱刚度随实验条件的改变而变化的规律。
2 实验装置 实验装置如图1所示。
光镊光源采用He -Ne 激光器(632.8nm ,10mW ,Polarized ,Coherent ,USA )。
He -Ne 激光束通过中性衰减片组改变光强,以适应不同测量范围。
He -Ne 激光束经耦合光路进入倒置显微镜(IX70,OLYM PUS ,JAPAN ),由油浸物镜(100×,NA 1.3,OLYM PUS ,JAPAN )强会聚后形成光镊,通过压电扫描平台(P -517.3CL ,PI ,German )实现对样品的精确定位和操控[11]。
图1实验装置示意图Fig .1Experimental setup实验装置中包括两路独立的测量系统用以实现微米小球的纳米位移测量。
一路为四像限探测器位移测量系统;另一路为CCD 相机(CoolsnapCF mono camera ,USA )图像采集和图像分析处理系统,通过对动态显微图像的分析来实现样品的位移测量。
在实验测量中,采用图像分析法,实现微米聚苯乙烯小球的纳米精度位移的测量和在此基础上的光阱刚度的测量。
3 实验原理 光镊捕获夹持微小粒子具有非机械接触的特点。
微小粒子在强会聚激光束的作用下,犹如处在一个势阱中。
这个势阱称为光势阱,也叫光阱。
当微粒偏离光阱的中心(即光阱阱位),就会受到一个指向该中心的光阱力,也就是说,光镊像是一个三维的弹簧。
因此,光镊不但可以进行微粒的操控,而且可以进行微小力的定量测量。
利用光镊测量微小力是基于下述事实:在围绕光阱中心的区域,光镊束缚小球的势阱近似于简谐势,即微粒受到的光阱力F 与其偏离光阱中心的位移x 成线性关系,即F =-K x ·x ,常数K x 为光阱的刚度。
因此,如果已知光阱的刚度,以及小球在外力F 的作用下偏离光阱中心的位移x ,就能够直接计算出小球所受到的作用力F 。
由于光阱的刚度与形成光镊的光场的强度分布密切相关,所以对一个确定的系统,首先要对光阱的刚度进行严格标定。
对由高斯光束构成的理想光镊,其光场是轴对称的,所以光阱在垂直光轴的方向(称为水平方向、横向或径向)的刚度也是轴对称的。
垂直轴方向(径向)的刚度K r 通常情况下比平行轴方向(轴向)的刚度K z 小,所以三维简谐势阱是一个回转椭球势阱,它可以通过两个回复力常数,即径向光阱刚度K r 和轴向光阱刚度K z 来描述。
M .Capitanio 和A .Rohrbach 都对光镊三维势阱作过讨论[10,12],一般情况下,K r =K x =K y =αK z 。
当球差影响很小的时候,α≈4;当球差影响较大的时候,例如将物镜从物平面与样品池底面重合时的位置出发,提升20μm ,则α≈10。
实验结果也证实了在径向上光阱具有很好的对称性;而粒子容易从轴向逃逸出光阱的现象,也充分表明轴向的捕获力比径向的光捕获力要弱得多。
通常利用光镊作为力的测量工具,主要是用其水平方向的力学性质,本文主要针对光镊径向的光阱刚度进行系列实验研究。
热运动分析法是常用的测量光阱刚度的方法[13]。
光镊势场中的微米小球,在平衡点附近作无规则的热运动,位置分布的概率密度遵从理想简谐势情况下的玻尔兹曼分布规律。
对小球在不同时刻的热运动位置反复进行测量,然后进行小球位置数据统计,得到小球位置概率分布的实验曲线。
将实验曲线与理想简谐势模型下玻尔兹曼概率密度曲线相拟合,即可得到光阱的刚度。
4 光阱刚度的实验研究4.1 实验条件与方法实验样品为聚苯乙烯小球悬浮液,小球直径(3.063±0.027)μm (Duke Scientific ,USA )。
将其置1362中 国 激 光 31卷 于内孔直径为6mm ,高度为1mm 的硅胶垫圈中,上下表面用盖玻片密封。
CCD 相机采集小球经150倍光学放大成像,小球的精确位移信息通过图像分析法获得。
对在相同条件下的小球布朗运动过程,每次采集5000张图像,每张图片曝光1ms ,重复三次。
在激光与显微镜耦合窗口处测量激光的入射功率,功率改变由中性衰减片组来实现。
通过压电扫描平台带动样品池整体相对显微镜运动,就能控制液体环境(相对于显微镜运动)和被捕获小球(相对于显微镜静止)的相对运动。
由于随着光镊阱位距离样品池底面高度的变化,光阱刚度会发生改变,除非特别说明,所有的实验均在光镊阱位距离底面20μm 高度进行。
4.2 结果与讨论4.2.1 激光功率的变化对光镊刚度的影响改变激光入射功率,通过CCD 相机分别采集3μm 聚苯乙烯小球在光阱中的布朗运动位移图像。
由热运动分析法分析不同激光功率下的运动图像,得到光阱刚度随激光功率变化的规律,如图2所示。
激光入射功率从4～10mW 的区域,光阱刚度随入射激光功率的增加而加大,具有线性关系。
图2光阱刚度随激光功率的变化曲线Fig .2T rap stiffness versus laser power4.2.2 光阱刚度和阱位距离样品池底面高度的关系实际研究工作中,经常用光镊在距样品池底面的不同高度对粒子进行微小力的测量,因此需要对不同高度情况下的光阱刚度进行标定。
确定阱位位置的方法是,在光镊捕获小球以后,逐渐降低物镜(也就是降低物平面),直到小球和底面相接触,此时小球处于最低的位置。