DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 3. 工程实例 3.1. 基本参数计算 A井是一口水平井，在6492~7300.29 m进行欠平衡钻进，施工过程中在6492 m和6512 m发生了溢流，井身结构参数如表1所示。计算分析过程中需要的参数如表2、表3所示。 3.2. 气层厚度对井底压力变化的影响 通过已建立的井底压力计算模型，分别取直井段、造斜段、水平段的某一深度进行计算，分析了井底压力与气侵时间、气层厚度的关系。取井深5600、6492、6512 m作为代表。在打开储层厚度分别10、15、20 m的情况下，井底压力随时间的变化关系如图2所示。 直井段、造斜段和水平段的变化规律不尽相同。在直井段，同一深度、不同气层厚度下，随气侵时间的增加，由于气侵初期气泡的压力与地层压力相当，进入井筒后开始滑脱，井底压力会先有瞬时增大的趋势；而后，随着气体在井筒运移过程中以体积膨胀为主导致井底压力逐渐减小；最后达到稳定，而且稳定值都比入侵前的井底压力值小。但是，造斜段和水平段的井底压力并没有瞬时增大，而是先保持平稳后增大，并且水平段的短暂平稳期较造斜段长，之后的变化规律与直井段相同，这是由于造斜段和水平段不能类似于直井段，在气侵之后直接进入井筒并上移，气侵反应到地面的时间也是相对较少。 同时，根据井底压差的概念，井底负压差的变化规律与井底压力的变化趋势相同，而且无论是哪个井段，井底负压差都是随着打开气层厚度的增大而增加，如此钻进过程中发生溢流的程度也愈大，井控难度也随之增大。在钻井现场施工过程中，一旦发生溢流，及时根据井底压力计算压差，实时调整钻井液密度，能够在一定程度上预防进一步溢流。 另一方面，井底压力稳定值不仅与气侵时间和井深有关，还受钻开气层厚度的影响。钻开气层厚度越大，暴露的面积越大，进入井筒的气体量越大，井底压力下降的幅度越大，加大了井控难度；气层厚度越小，气体侵入量越少，与气层厚度大的情况相比，相当于渗透率减小，井控相对要容易一些。因此在勘探开发中利用地震属性等方法预测气层厚度 [ 14 ] - [ 16 ] ，进而确定最大的钻开气层厚度，以便计算最大井底负压差对应的钻井液密度附加值。并且越早于稳定值之前采取措施，越利于采取井控措施，这样可以降低发生溢流的可能性。 图2. 不同井深和气层厚度下气侵时间与井底压力的关系图 Table 1 The parameters of well structur 开次 井眼尺寸/mm 井深/m 套管尺寸/mm 套管下深/m 一开 406.4 1499.50 273.05 1499.50 二开 241.3 6176.00 200.03 6174.25 三开 168.3 7300.29 裸眼完井 表1. 井身结构相关参数 Table 2 The basic calculation parameters of Well 井深 /m 垂深 /m 地层孔隙度 /% 地层渗透率 /mD 地表温度 /℃ 地温梯度 /(℃∙m −1 ) 造斜点深度 /m A点深度 /m 气体黏度 /(mPa∙s) 7300.29 6340.88 35.3 1.61 20 0.0233 5860 6498.08 0.02 表2. A井的基本计算参数 Table 3 The relevant parameters of the well sectio 井深/m 垂深/m 钻井液密度/(g∙cm −3 ) 地层压力/MPa 塑性黏度/(mPa∙s) 5600 5600.00 1.24 71.93 21 6492 6285.91 1.08 76.16 15 6512 6287.36 1.12 76.26 17 表3. 研究井段的相关参数
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user: 4. 结论与认识 1) 在讨论影响气侵后井底压力变化规律时，气层厚度是值得考虑的一个因素，对于现场制定井控安全控制策略具有指导意义。 2) 气层厚度对应的井底压力稳定值受气侵时间与钻开气层厚度的影响，而且随着气侵时间的推移和气层厚度的增加，井底压力稳定值减小，导致井底压差增大，最终加大井控难度。 3) 如果采取相应的手段及早发现气侵并且采取井控措施，能够减少地层气体的侵入量，达到安全井控的目的。
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user: 摘 要 随着勘探开发的不断深入，东部老油田苏皖油区中深定向井、大位移井越来越多。针对中深定向井、大位移井中常见的定向段托压、黏卡严重，使用PDC钻头钻进时工具难以稳定，钻压无法真实有效传递等问题，开展了使用水力振荡器提高机械钻速的研究。对水力振荡器技术原理、组成、工作原理进行了分析，在H159-7、HX161、HX162等井成功应用。实践表明，利用水力振荡器将钻具的静摩擦变为动摩擦，可以有利于解决中深定向井、大位移井中定向段托压情况和钻压不能有效传递的问题。为破解中深定向井提速难题提供了借鉴，经济效益也随着滑动进尺的增加而逐步提高。 关键词 :轴向振荡，钻压，大位移井摩阻，机械钻速
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user: 1. 引言 苏皖油区位于东部老油田，是典型的复杂小断块油田，表现出“小碎贫散”的地质特征。苏皖水网地区受地面条件限制，钻井深度大，井斜角大。在钻进过程中，无论是旋转钻井还是滑动钻井，钻具与井壁的摩阻都会对机械钻速产生较大的影响，其中滑动钻井方式摩阻的影响尤为突出。特别是在中深井、大位移井中，钻具在井筒中的托压现象更为严重，表现出定向工具面难以稳定、机械钻速慢、钻头磨损大等现象。因为钻压不能有效加载到钻头上，严重时还会造成弯曲井眼，影响井身质量和钻井目的的完成。如何有效减轻托压现象，使钻压有效传递到钻头，就成为提高这类型井机械钻速的关键 [ 1 ] 。利用水力振荡器的水力脉冲，在钻具上产生轴线振荡力，不仅可以将滑动钻进时钻具与井壁的静摩擦变为动摩擦，减轻摩阻 [ 2 ] ，还可以减小井下扭转，减轻横向振动，并在一定程度上延长了钻柱、螺杆钻具和PDC钻头的寿命 [ 3 ] 。
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user: 2. 水力振荡器的技术原理 在常规直井和小斜度定向井中，无论是普通转盘钻井、复合钻井还是定向滑动钻井方式，都是依靠钻具下部钻铤的重量向钻头提供钻压，进行破碎和剪切地层岩石实施钻进，一般能起到较好效果。但是在大斜度定向井、大位移井和水平井钻进过程中，由于钻铤重量沿井眼方向的分量随着井斜角的增大而减小，导致能够有效施加到钻头上的钻压很小。如果只是为了达到设计要求的钻压数值，在不改变钻具组合的情况下简单下压钻具，只会加大钻具的弯曲变形，最终由于钻柱的自锁无法正常施工 [ 4 ] 。同时，还会因为钻具重量的下压导致钻铤重量在井壁方向的压力分量加大，从而增大钻具与井壁的摩阻以及钻井转盘机械效率的损失。 由于钻铤重量在井眼方向的分量随着井斜角的增大而减小，那么改变钻铤与井壁间的摩擦阻力就成为在大斜度定向井中有效传递钻压的重点。水力振荡器的作用就是减少钻铤与井壁间的摩擦阻力。水力脉冲轴向振荡钻井技术是将钻井液产生压力脉冲的液压能转化为机械能 [ 5 ] ，通过自身产生的纵向振动，使连接振荡器的钻具在井眼方向产生纵向的往复运动，这样钻具与井壁之间的摩擦力就由静摩擦变成动摩擦，摩擦阻力得到有效减小，特别是在滑动定向钻进过程中，可以有效地减少因井眼轨迹而产生的钻具拖拉现象，保证有效钻进 [ 6 ] 。水力振荡器正是利用了这一基本原理，将钻柱与井壁的静摩擦力转化为动摩擦力，从而减小了下部钻具与井壁的摩阻，改善了钻压的有效传递。
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user: 3. 水力振荡器的研究 3.1. 水力振荡器的组成 水力振荡器由马达动力部分、万向轴、流量阀系统、加压减震装置等4部分组成，见图1。加压减震装置由下接头、花链体、缸筒、活塞等组成，见图2。 3.2. 水力振荡器的工作原理 水力振荡器的动力单元是一个马达，马达下端固定有阀片，钻井液通过马达时，驱动阀片转动，两个阀门分开时，截面积为最大，重合时流体通过工具的截面积为最小。马达作用于震荡开关阀产生压力 图1. 水力振荡器组成示意图 图2. 加压减震装置组成示意图 脉冲，截面积周期性变化导致上游压力同步的周期变化形成轴向振荡 [ 7 ] 。当这种轴向振荡作用在加压减震装置上时，由于脉冲压力周期性变化，加压减震装置的活塞就在液力的周期变化作用下做轴向往复运动，也就使与之连接的井下钻具在轴向上做往复运动 [ 7 ] - [ 9 ] 。 加压减震装置将钻头与该工具以上的钻柱隔离开，既能防止钻柱产生的振动冲击载荷对钻头造成破坏，还能保持钻压平稳。同时也防止钻头振动导致钻柱谐振及疲劳失效。
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user: 4. 水力振荡器在现场的应用 通过施工对比，水力振荡器在滑动钻进过程中取得了很好的提速效果。在托压严重井段使用效果明显，表现为托压现象减轻，滑动钻进过程中钻压有回落现象，泵压也有明显变化。 4.1. 水力振荡器在H159-7井中的应用 4.1.1. 钻具组合 H159-7井轨道设计为5段制(直–增–稳–降–稳)轨道，后期滑动降斜托压严重，严重影响了施工速度和井下安全。因此优化H159-7井钻具组合：∅215.9 mmPDC钻头 + ∅156 mm单弯螺杆(1.25˚) + ∅212 mm稳定器 + 定向接头 + ∅159 mm无磁钻铤 + ∅165 mm螺旋钻铤 + ∅165 mm水力振荡器 + ∅159 mm无磁钻铤 + ∅127 mm加重钻杆 × 17 + ∅159 mm随钻震击器 + ∅127 mm加重钻杆。在下部钻具组合中加入水力振荡器，水力振荡器在钻具组合中可以在MWD (随钻测量)工具的上、下位置安装，位置比较自由。 4.1.2. 钻进参数 H159-7井在使用水力振荡器井段与使用常规钻具时钻进参数基本相同，钻压40~80 kN，转盘转速70 r/min，泵压14~15 MPa，进尺313.4 m。 4.1.3. 使用情况对比 在H159-7井中使用水力振荡器的钻井情况与在H159-7井中未使用水力振荡器的钻井情况分别见表1、表2。可以看出，使用水力振荡器后钻时减小，滑动钻进机械钻速由1.62 m/h提高到1.82 m/h，提高了12.35%，全井机械钻速由8.76 m/h提高到10.73 m/h，提高了22.49%。钻井周期比邻井H159-5井减少了53 h。 4.2. 水力振荡器在HX161井中的应用 HX161井是一口重点探井，完钻井深3514 m，最大井斜39.43˚，具有井身深、井斜大、裸眼段长的特点，使用水力振荡器的情况如表3所示，进尺101 m，钻进时间1124 min。HX161井滑动钻进机械钻速为5.39 m/h，全井机械钻速为9.32 m/h。与邻井HX160井未使用水力振荡器相比，邻井HX160井滑动钻进机械钻速为3.32 m/h，全井机械钻速7.42 m/h。可以看出，使用水力振荡器后，滑动钻进井段机械钻速提高62.35%，全井机械钻速提高25.61%。 4.3. 水力振荡器在其他油田的应用 国内最早应用水力振荡器的是川庆苏平36-8-18H井，取得了良好的效果。2013年∅6.75in水力振荡器在榆37-2H井的∅8.5in水平段成功应用，有效改善了钻井过程中钻压传递效果，如图3所示，与邻井段未使用水力振荡器相比，滑动钻速增加181%，平均机械钻速提高至3.14 m/h。
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user: 5. 水力振荡器在应用过程中的效益分析 以∅215.9 mm井眼为例，所使用的水力振荡器外径为165 mm，合同租赁费为575元/h，从入井口计 Table 1 Well H159-7drilling (with hydraulic oscillator 井深/m 钻时/(min∙m −1 ) 定向长度/m 2369.47 41.42 7 2288.00 30.00 6 2212.00 30.00 7 2162.00 38.30 6 2056.00 22.00 5 表1. H159-7井(使用水力振荡器)钻井情况 Table 2 Well H159-5 drilling (without hydraulic oscillator 井深/m 钻时/(min∙m −1 ) 定向长度/m 2391.33 41.43 7 2275.78 32.50 6 2227.64 48.33 6 2150.80 26.67 6 2070.00 34.00 5 表2. H159-5井(未使用水力振荡器)钻井情况 Table 3 The use of hydraulic oscillator in Well H16 滑动钻进井段/m 滑动钻进段长/m 时间/min 钻时/(min∙m −1 ) 1500.29~1508.29 8 111 13.88 1585.57~1589.57 4 26 6.50 1632.93~1639.93 7 31 4.43 1708.74~1715.74 7 93 13.29 1860.25~1867.25 7 68 9.71 2021.26~2028.26 7 60 8.57 2030.70~2037.70 7 65 9.29 2097.00~2104.00 7 57 8.14 2191.74~2198.74 7 103 14.71 2220.14~2224.14 4 24 6.00 2515.59~2522.59 7 71 10.14 2544.02~2550.02 6 36 6.00 2572.53~2579.53 7 98 14.00 2591.48~2598.48 7 122 17.43 2610.44~2617.44 7 116 16.57 2714.62~2716.62 2 43 21.50 合计 101 1124 11.13 表3. HX161井水力振荡器使用情况 图3. 使用水力振荡器前后机械钻速和滑动钻速对比 Table 4 Benefit analysis of hydraulic oscillato 井号 井深/m 机械钻速/(m∙h −1 ) 邻井钻速/(m∙h −1 ) 钻速提高百分比/% 使用成本/万元 效益预估/万元 HX161井 3514 5.39 3.32 62.35 20.24 −16.38 HX162井 3655 5.56 3.32 67.47 5.58 −4.58 表4. 水力振荡器使用效益分析 注1：邻井是指HX160井。 注2：HX161井设备累计入井14.67 d，滑动井段长101 m；HX162井入井4.04 d，滑动钻进25 m。 算，出井口结束。使用该设备后提高了滑动钻进的机械钻速，缩短了钻进时间，节约了钻井周期。所节约的周期费用减去租赁设备成本，得出使用该设备产生的经济效益。以HX161井、HX162井为例，水力振荡器使用效益分析如表4所示。工具每日租赁费用为1.38万元，钻机费用约每日8万元(0.33万元/h)。HX161井按机械钻速提高62.35%计算，每日需节约4.18 h，每日滑动钻进最少需要6.7 h才能持平，机械钻速为5.39 m/h，即平均每日滑动36.11 m以上可以盈利。HX162井按机械钻速提高67.47%计算，每日滑动钻进最少需要6.19 h才能持平，机械钻速为5.56 m/h，即平均每日滑动钻进34.42 m以上可以盈利。 从数据分析可以看出，在常规井中使用水力振荡器经济效益不理想。主要原因是由于井身结构的特点，滑动钻进进尺较少，而通常水力振荡器都是伴随定向钻具组合一起入井，导致工具的使用成本高于提高机械钻速缩短钻井周期产生的经济效益。但使用该工具能防止钻头振动导致钻柱谐振及疲劳失效，能很好地保护钻头、螺杆等工具，同时也能提高井眼质量。
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user: 6. 结论与认识 1) 在苏皖油区大斜度中深定向井中，采取常规钻具组合实施定向井施工，下部钻具托压现象明显，制约了该类井机械钻速的提高。 2) 水力脉冲轴向振荡钻井技术是将下部钻具与井壁之间的摩擦力由静摩擦变成动摩擦，从而使摩擦阻力得到有效减小，特别是在滑动定向钻进过程中，可以有效地减少因井眼轨迹而产生的钻具拖拉现象，保证有效钻进。 3) 近几年在苏皖油区中深定向井中的应用实践证明，水力振荡器应用时托压明显减轻，能有效传递钻压，滑动钻进过程中钻压有回落现象，泵压也有明显变化。 4) 水力振荡器的租赁成本较高，必须要结合地层与轨道设计的特点使用，如果滑动钻进进尺少，经济效益就不明显。随着租赁费用降低和滑动进尺增加，使用该工具的性价比会逐渐显现。 5) 水力振荡器在使用过程中能缓解托压现象，对钻头、螺杆、钻具可以起到保护作用，同时也能让轨迹更圆滑，提高井眼轨迹质量。
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user: 摘 要 根据摩尔定律，芯片的集成度不断提高，传统的片上互连技术由于受到电互连物理特性的限制，其传输延迟、带宽密度和功耗等关键性能指标很难有质地提升，成为制约片上互连性能进一步提升的瓶颈。相比之下，光互连信号传输具有损耗低、速度快、延迟低、带宽密度高的优势。因此，光互连技术在片上系统的应用中具有潜在优势。文章采用MOS管发光器件实现硅基光互连系统单片集成。由于硅光源在光互连中扮演着重要角色，所以本文对硅基发光做了重点研究，并对过去几年硅光源研究成果进行回顾。基于前人的研究成果，我们设计了MOS管发光器件，并对该器件的电学特性和光学特性进行了仿真和分析，基于这些结果，然后对硅基片上光互连进行初步的设计，有望在未来光互连中发挥重要作用。 关键词 :MOS管光发射器件，硅基发光器件，硅基光互连电路
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user: 1. 引言 随着信息时代的到来，人们对信息传输的要求日益提高，高速度低损耗都是对现代信息传输系统的基本要求，而依靠传统的电荷进行信息输运对这些要求无法很好地满足，电互连已经成为提升系统性能的瓶颈，器件之间的连接成为一个迫切需要解决的问题。20世纪八十年代就有人意识到点互连的限制问题，1984年，Goodman首先提出并分析了在大规模集成电路内采用光互连替代电互连的思想 [ 1 ] 。光互连有很多优点，例如：光学信号在空间可以独立传播，彼此之间互不干扰；光互连的速度与互连通道无关；光学信号在三维空间可以自由传播。那么光子替代电子不仅能提高带宽密度，而且可以提高速度，解决数据线间电磁干扰问题，有研究表明实现相同的计算光互连功耗更低。所以硅基光集成电路成为当今研究热点，该课题也处于摸索阶段，光发射器、探测器的效率和光波导的耦合效率都相当低，高速度、高可靠性的光互连系统更是发展缓慢。 本文针对硅基上光互连集成电路展开了探讨，用比较成熟的CMOS工艺来实现光互连电路。
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user: 2. 硅发光器件 目前已经有多种实现硅基发光的方法，如多孔硅发光、掺Er硅发光、超晶格量子阱结构等，然而这些方法至今没有得倒广泛的应用，主要原因就在于其材料或者器件结构不能满足当今光电子单片集成对发光器件工艺和发光效率的要求。所以，目前全硅光电集成遇到的主要困难就在于要能与标准CMOS工艺兼容的发光器件。通常来讲，与标准CMOS工艺兼容的硅基发光器件(Si-LED)是指利用PN结反向击穿或正向少子注入进行发光的器件，结构较为简单，制作工艺与当前标准的超大规模集成电路CMOS工艺兼容 [ 2 ] 。本文对提高这类器件的发光效率和改善器件结构进行了尝试。 2.1. 雪崩击穿主要发光机制 [ 3 ] 1) 间接带间跃迁 间接带间跃迁指的是导带与价带之间有声子辅助的跃迁过程，这一过程中电子和空穴复的合包括两部分内容：一是硅的倒带底电子与价带顶空穴复合，能量差作为光子释放，二是相差的动量差以声子形式释放。光子能量由hν = E g − E p 决定，当E g 不变时，发射的光子由跃迁过程中声子能量E p 决定，因此不同位置的电子在跃迁过程中发出不同波长的光子。 Gautam提出发射光的强度是与电子和空穴的分布函数和复合几率相关的函数 [ 4 ] ： (3-1) 其中 (3-2) (3-3) 式中，T代表硅晶格温度， ，n是折射率，I 1 是修正Bassel一阶函数，T e 和T h 的值分别取决于半导体材料中电子和空穴的电离长度以及电场强度。 2) 直接带间跃迁 这一机制主要描述了处于K空间同一波矢处，高能自由电子直接跃迁与空穴直接复合，辐射光子的过程。Wolff对高场强下的电子和空穴利用Boltzmann方程求解，来阐述电子与声子的效应和载流子分布函数，并推导出了发射强度与光子能量的关系 [ 5 ] ： (3-4) 式(3-4)中，依赖于电场强度和平均自由程W~kT，B 1 是一个经验常数，B 2 则取决于(E 0 /W)仿真的指数积分 ，E 0 表示的是电子空穴对产生的阀值能量。Akil等人认为，对于能量范围较小(约在2.0 eV以下)的电子来说，由声子辅助的带间的间接跃迁占主导地位；而在2.0 eV~2.3 eV范围内，带内制动辐射占主导位置；对于能量大于2.3 eV，主要由雪崩击穿加速的高能热电子，有机会突破间接跃迁的限制，与相同波矢处的空穴复合发光。以上根据雪崩击穿后电子能量的不同、位置的不同，因而发生跃迁发光机制也不相同的理论，称之多机制的发光模型 [ 6 ] 。该模型能对硅基发光做出较为准确的理论解释。 2.2. 前人用CMOS工艺所做的光发射器件 图1是中芯国际采用0.18 μm的CMOS工艺生产的MOS隧穿二极管，采用1.8 V MOS器件的栅氧作为隧道二极管的绝缘层。整个器件做在N阱中，多晶硅栅和N+阱接触设计成插指状，以提高电场的均匀性与发光的一致性。所有栅极连在一起用金属引出，所有N阱接触同样连在一起用金属引出。多晶硅栅栅与N阱接触之间的间距要设置合理，既要保证合适电场分布，以便发射光能够顺利到达芯片外，减少半导体和金属对发射光的吸收。 2.3. MOS管发光器件基本原理 普通雪崩击穿二极管实际上是指常见的PN结。在标准CMOS工艺中，可利用重掺杂的源/漏区和衬底或N阱分别形成P + -N或N + -P结，当源/漏极与衬底反偏，通常击穿电压大于6 Eg/q，产生雪崩击穿。 如图2是光发射器件结构浓度分布图，由结构图不难看出，与传统LED结构相似，当源/漏与衬底反偏电压满足条件时，在栅氧两侧一定深度即会发生雪崩击穿，实现硅基发光，栅极可以在一定程度上来控制发光的强度。 图1. MOS隧穿二极管剖面图 图2. 标准CMOS工艺下光发射器件结构图 2.4. MOS管光发射器件的测试与仿真 系统在受到外界因素作用后吸收外部能量的过程称为激发，可见激发发光是一种典型的能量转换过程，该系统受到激发利用从外界获得的能量，就能够从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态。相反地，当系统从不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，由于必须能量守恒，便可能以光的形式释放出其多余的能量。 当普通P/N结或金属-半导体接触等结构反向偏置，且电场增强到足以发生雪崩击穿时，在碰撞电离雪崩倍增的过程中，电场的能量直接以加速电子的方式转移为晶体中电子的能量，使得电子获得足够的能量进入激发态。 在栅氧层下一定深度即是光源，图3(a)是对应的是源/漏与衬底5 v偏压时器件内部电场强度分部，在宽约0.1 μm的范围电场强度大于2 × 10 5 V/cm，一般会发生雪崩击穿。如图3(b)是源/漏极与衬底P/N结反偏时，电子电流密度和电子/空穴浓度分布图，在栅极两侧电场峰值处，电子/空穴电流密度增大，电子/空穴运动最为剧烈，电子最可能进入激发态，而发射出光子，即成为光源，此为带有电子和空穴的硅宿主原子电离发光，预测光谱峰值在650 nm (1.8 eV)和550 nm (2.4 eV) [ 7 ] 。图中结果表明，源/漏极与衬底形成的P/N结与传统的P/N结LED具有相似的发光原理和测试方法，利用雪崩击穿在CMOS管上发光的探索成为可能。
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user: 3. 片上光互连系统 根据应用场合的不同，光互连可分为片上光互连(单片集成)、片间光互连(同一电路板不同的芯片之间)、板间光互连(不同的电路板之间的互联)和通信设备间光互连。下面主要介绍片上光互连系统。 3.1. 前人在光互连上做的工作 Snyman等人 [ 8 ] [ 9 ] 在2004年发表文章，他们利用0.8 μm BiCMOS实现了硅基光系统集成回路，如图4所示，包括光发射器件、光波导、光电探测器以及具有高增益的CMOS跨阻抗放大器。为了提高光的耦合效率，使产生的光能充分进入光波导，将光发射器件和光探测器巧妙地设计成了鸟嘴形状。 电子科技大学Kaikai Xu等人 [ 10 ] 在0.35 μm CMOS工艺下设计了利用雪崩击穿作为LED，探测共用器件作为PD，并利用金属包裹的钝化层作为光波导，构成光互连系统，如图5所示。该系统在改变LED驱动强度时，能够明显看到PD信号跟随其变化。 综上所述，标准CMOS工艺下光互连系统还处于摸索阶段，发光器件、探测器件的效率和光波导的耦合效率都比较低。目前所报道的互连系统中，硅光芯片的设计制造从材料、工艺到测试、封装技术等问题都亟待解决。 3.2. CMOS工艺下光互连电路的探索 本文对MOS管组成的光互连系统做了探索性的研究，如图6所示。由于光电可逆性原理，系统中的光发射器件LED和探测器件PD的角色可以互换，此处将NMOS作为光源，光线沿光波导传输至PMOS探测器，使用的光波导是由金属包裹的钝化层，钝化层使用SiO 2 或者Si x N y ，具体使用哪一种可以根据实际的工作效果来决定 [ 11 ] 。由结构不难看出，LED的光线经过氧栅折射和金属反射到达PD，光线几乎 图3. NMOS发光器件内部电学特性仿真；(a) 光发射器件光源处电场强度；(b) 光源处对应的电子/空穴电流密度 图4. SiO 2 光波导硅基光电子集成回路 图5. Kaikai Xu等人设计的硅基光互连系统 图6. MOS管和SiO 2 光波导构成的硅基光互连系统 没有损耗，提高光传输效率，避免信号串扰。 该结构存在的问题是多晶硅发光和探测器件的效率低。针对该问题，提出一些探索性解决方法：1) 缩短光源和光波导之间的距离；2) 光波导接口平面与光线尽量垂直；3) 在光源与光波导之间通过电场控制高折射率钝化层制成凸透镜，使光线会聚。
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user: 摘 要 选用电化学阳极阳化方法在金属Ti片上生长了TiO 2 纳米管，并用碳纳米管(CNT)薄膜作为上电级，制作成了CNT/TiO 2 /Ti三明治形状的纳米器件。测试了样品在各低温下的光电响应特性和电阻特性。研究表明，选用碳纳米管作上电极的TiO 2 纳米管阵列，在532 nm的激光照射下，其光电导和暗电导特性极大地受到温度的影响。在低温下的光电阻和暗电阻会随着温度的增加而减小，同时暗电流增大，光响应度增强。最后，该器件和作了前置电阻处理后的同类型器件作了简要对比分析。 关键词 :TiO 2 纳米管，光响应，暗电阻
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user: 1. 引言 因其TiO 2 纳米管外形的独特性，自从2001年Gong D和其同事们首次报道了用HF溶液阳极阳化法生长出TiO 2 纳米管阵列以来，使TiO 2 纳米管在许多领域都得以应用，如超级电容器，太阳能电池，光催化降解和锂离子电池等，也因其对氢气和氧气的敏感，可用于制作如一些气体传感器。此外，用TiO 2 纳米管结合其它薄膜材料如碳纳米管，金属薄膜等组成异质结也可用于光电探测器的功能材料 [ 1 ] - [ 4 ] 。怎样降低暗电阻和提高光电响应度是光电探测器的研究的主要趋势，并在这基础之上扩宽对光的响应波长也是研究的重点内容。 为此，我们选用了Ti金属片，用阳极阳化的主法在其面上生长TiO 2 纳米管，并用碳纳米管薄膜用为上电级，以Ti片作为下电极，制作成了三明治形状的纳米器件。此前，我们对样品在常温下的光电响应特性作了研究，但其阻变前后在低温下的电阻及光响应特性测试并未进行。为此，我们分别测试了样品在阻变前的低温状态下的光电响应特性及电阻特性，并和未经阻变的其它上电极材料如石墨硒制作的同类型器件在低温下的性质作了简单的对比分析 [ 5 ] [ 6 ] 。 所有的低温测试均在高真空下进行，因样品对氧气和氢气的敏感，所以研究其在不同真空度下的对气体的光电响应特性也是现研究的热门，加之，经阻变处理后的样品薄膜在低温下电阻将作何改变是我们需要探讨的内容。
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user: 2. 实验过程 本样品采用阳极阳化两步生长法制备，并用石墨作为另一电极。第一步生长时加上60 V直流电压，用2400型真流源表监测，生长3小时后去掉氧化钛纳米管阵列(TiO 2 NTA)，再次生长。第二步选用30 V电压，生长25分钟，得到TiO 2 NTA长度约为600纳米，内径约为20纳米，壁厚约为50纳米。如图1(a) SEM图像所示。 为了测试TiO 2 NTA在光电流下的电阻，需简单制作一个光探测型的纳米器件。方法可在TiO 2 NTA镀一层上电极，以Ti。金属作为下电极。曾经有报道，镀金或镀银电极都不如直接选用碳纳米管作为上电极要好，制方法简单又实惠 [ 7 ] 。为此，先将洗净的TiO 2 NTA上表面四周用绝缘胶带覆盖，中间留出3 mm × 3 mm的透光窗口，再将由无序双壁碳纳米管(DWCNT)构成的厚度约为80 nm的薄膜铺在样品上表面，作为透明导电上电极。如图1(d)所示构成CNT/TiO 2 NTA/Ti三明治结构异质结构的纳米器件。
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user: 3. 分析及结果 采用532纳米波长(光斑面积约为6.3 mm 2 ；功率200 mW)的激光照射器件上表面的透光窗口，得到 有光照下的光响应曲线如图2(a)和图2(b)所示。图2(a)所示在常温300 K及20 V偏压下，光电流I p 达到0.044 mA，光照下电阻R p 约为0.45兆欧姆，暗电流为0.036 mA，暗电阻R d 约为0.55兆欧姆。图2(b)所示在20 V偏压下各低温下的光响应曲线。可以看出，随着温度的升高光电流及暗电流值均在增大。光响应电流(光电流和暗电流之差)也在增强。在100 K时的光响应最小。 从图3(a)和图3(b)中可以看出，器件在各偏压下的光电阻和暗电阻均随温度的升高而减小。且所加电压越大，变化越不明显。经计算，在20 V偏压下100 K时，光电阻从300 K时的0.45兆欧增大为60.3兆欧，增大了近135倍。若偏压减小，电阻变化值越大。分析其原因可能是温度升高时增强了载流子的活性，加大了电流的输运速度，此结果和用石墨硒作上电极在低温下所测结果一致 [ 5 ] [ 6 ] 。因器件所能承受 图1. (a)为TiO 2 纳米管表面的扫描电镜图；(b)~(d)为DWCNT/TiO 2 NTA/Ti器件的制作过程 图2. (a) (b)分别为器件在532 nm，20 V各温度下的光响应 图3. (a) 为器件在各偏压下的暗电阻随温度的变化关系图；(b) 为532 nm的光照下光电阻随温度的变化关系 的电压有限，若增至近40 V时，将发生阻变，即电流不再随电压的增大而变化，TiO 2 纳米管的电阻特性从高电阻形态改变至低电阻形态 [ 8 ] 。阻变后，光电流将大为增强，光电阻及暗电阻也相应地减小，其原因可能是在发生了阻变的纳米管内出现了一些空位丝，这样给载流子一个快速流通的通道 [ 9 ] - [ 11 ] ，这和升高温度有些近似。阻变后的电阻怎样随温度的变化而变化将是我们下一步研究的内容。这也为我们制作恒温下的光电器件提供一点启示和参考。
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user: 4. 结论 未经阻变处理的TiO 2 纳米管在低温下光电阻和暗电阻随着温度的降低而大大的增大，同时暗电流也会增大，光响应度增强，且和所加电压有关。电压越小变化将越显著。其结果为我们制作光电器件提供一些参考。
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user: 摘 要 激光雷达具有角分辨率高、精度高、抗干扰能力强等突出优势，目前已成为激光主动探测领域发展的一大热点。以激光雷达的发展方向和应用为切入点，围绕激光探测装备“看得更清楚”、“看得更鲁棒”、“看得更隐蔽”的永恒追求，分别阐述了激光成像与特征提取技术、偏振与MIMO (多入多出)激光技术、低截获概率激光雷达技术三个发展方向，以期在一定程度上反映该技术领域的发展现状和未来发展方向，对我国在该领域的发展提供一定的借鉴和参考。 关键词 :激光雷达，微多普勒，特征提取，MIMO(多入多出)，低截获概率
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user: 1. 引言 激光雷达是激光技术和雷达技术相结合的产物，其角分辨率高，抗干扰能力强，可以用于进行测距、角跟踪、目标运动速度测量及活动目标指示等，还可以跟踪超低空飞行目标，且隐蔽性能好。 与微波雷达相比，激光雷达占据了频率的高端，激光在角度分辨率和速度分辨率方面占据优势，而在探测距离、距离分辨率方面不占优势，因此为充分发挥激光雷达的优势，一方面要在充分利用和发挥在角度和速度方面的优势，在小范围提供直观的二维或三维图像，应该是激光未来的一个主要发展方向；另一方面激光雷达要与微波雷达有机结合，协同使用，取长补短，发挥各自的优势。
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user: 2. 看得更清楚——激光微多普勒特征提取技术 飞机在对地面或海面进行侦察及发动攻击时，首先需要借助雷达传感器来获取目标的准确位置信息，进而完成精确打击。通过脉冲压缩技术，我们可以较为准确地获得目标的距离信息。但由于天线波束的方位向分辨力很低，因而通常无法准确分辨方位向目标。 多普勒波束锐化(DBS)是一种可以提高方位分辨率的处理技术，它是基于多普勒分辨理论，利用雷达方位向波束宽度内不同目标回波相对雷达具有不同多普勒频率这一特性来提高方位向分辨力的。它的处理等效于非聚焦合成孔径技术。多普勒波束锐化技术具有自身的一些优点， 并且已经得到广泛的应用。 当机载雷达工作在多普勒锐化工作状态时，观测区域将随着天线的扫描而进入并离开波束。由同一距离环带上不同方位处散射体的多普勒历程可知，除了位于波束边缘的少数散射体之外，大部分散射体在观测期间一直保持在天线波束照射范围之内，于是不同方位处散射体回波的多普勒历程的起止时刻完全相同，只是因散射体的方位不同而导致各自相应的多普勒历程有一个固定的频率差。由于在回波中存在着一定的多普勒频率展宽，并且由多普勒历程可以看出，同一时刻天线波束内的不同散射点具有不同的多普勒频率，于是我们便可利用这一点来提取回波中的多普勒频率信息，从而达到提高方位分辨力的目的。 根据多普勒分辨理论，我们可以得到天线波束展宽的多普勒频率为： (1) 其中 为飞机飞行速度， 为天线波长， 为波束宽度， 为方位角， 为天线俯仰角。如果我们所设计的多普勒滤波器组(包含滤波器的数目为N)有足够高的分辨率，那么就可将原来一个回波中的信号在频率域等分成N分，这样得到的频域分辨率为： (2) 通过波束锐化处理，我们就可以将原先的分辨率提高N倍，从而达到提高方位向分辨力的目的。相比于微波雷达，激光雷达波长更短，对应的激光多普勒分辨率更高，因此多普勒锐化效果更好，成像分辨率更高。 此外，基于激光雷达多普勒分辨率高的优势，还有一项很具有潜力的技术值得深入研究—激光微多普勒特征提取技术，用于目标识别。 目标识别是军事雷达应用的一个重要部分。对空中、陆地以及海域中敌意目标识别的局限已经一度被北约(NATO)认为是整个防御体系中最薄弱的环节，在最大警戒范围和武器系统的射程以内快速而准确地进行目标识别，仍然是目前很具挑战性的问题。近年来，将微多普勒技术与雷达目标识别结合，发展了基于微多普勒分析的目标识别技术。 当雷达波与运动表面相互作用激励出电磁场时，一部分散射信号被雷达接收机接收到，运动对电磁波的作用转化为信号调制。当目标以恒定速度运动时，回波信号的载频会发生偏移，即多普勒效应。当目标或目标上的某些部分存在相对于目标主运动方向的机械振动或旋转时，则回波信号的频率将被调制，体现在频谱图上则是频移旁瓣的出现，这种现象即称为微多普勒效应。微多普勒是从频率上描述了目标微动的雷达特征，反映的是多普勒频移的瞬时特性，表征了目标微动的瞬时径向速度。 雷达目标微动特征提取与识别是目前一个新兴的研究领域，它是运动学与雷达信号处理的交叉结合，所涉及到的关键技术主要有：运动建模、时频分析、变采样滤波、雷达成像理论和技术等。在军事领域，目标微动特性在弹道导弹防御体系中已经发挥了很大的作用。运动特征是导弹目标识别所依据的主要特征之一，弹道导弹的振动、自旋、进动和章动都属于微动范畴，可望为导弹目标识别难题提供新的解决手段。对于空中和地面目标，如飞机或地面车辆，基于目标微动特征的目标识别也具有明显的优势，对于不同的引擎和转动部件，微多普勒频移是独一无二的，经处理后与目标特征库进行对比，由自动目标识别算法就可以确定目标的身份。 基于振动微多普勒频移的目标识别算法具有不受方位角限制、超视距、适用于非合作目标的识别等优势。地面目标的运动，如行人手臂和腿部的摆动、车辆表面的振动、车轮和履带的转动以及天线罩的转动都属于微动源。这些微动特性为监测和识别地面目标提供了一种有效的途径，而且对于已经识别出的地面目标来说，还可以利用精细的微多普勒幅度和频率差异进行精确身份辨别。在现代高度自动化的战争中，微多普勒目标识别还具有非常大的发展前景和空间。 相比于微波雷达系统，由于激光的相干性，激光雷达中目标回波信号的相位对目标表面的振动更加敏感，在雷达径向距离上半个波长的变化就会引起回波信号360˚的相位改变。此外，由于多普勒频移可以反映相位函数随时间的变化情况，因此可通过回波信号的多普勒频移来探测和识别目标表面的振动状态。我们有理由相信，在现代高度自动化的战争中，激光微多普勒目标识别将具有非常广阔的发展空间和前景。
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user: 3. 看得更鲁棒——偏振与MIMO激光技术 相比于微波，激光由于波长更短，更容易受到大气和外界环境的影响。大气的影响主要包括：大气衰减、烟雾微粒子散射和大气湍流等，环境的影响则主要指太阳光的影响，而这些不利影响又是无时无处不存在的。 在微波雷达中，有利用水平、垂直以及圆极化等极化特性来抑制杂波的应用 [ 1 ] [ 2 ] ，微波的极化与光学的偏振是同一概念，那么是否可以借鉴微波雷达中的极化技术，从而抑制激光雷达探测中烟雾等微粒子及杂光的影响？ 光束在传输过程中，大气散射、目标特性和入射角度都会引起其偏振态的变化。信号光和太阳辐射光在传输过程中，偏振态变化又各不相同。通过调整出射光的偏振方向，使接收信号光的光强极大值方向与阳光背景辐射噪声的强度极小值方向平行，最大限度的保留信号光的强度，同时最大化抑制背景辐射噪声，从而提高探测的信噪比。 我们认为，利用目标与雾对激光退偏效果的差异是提高激光穿雾探测的方法之一，美国水下激光成像就利用了这种技术。根据散射理论，物体反射光的退偏度大于水中粒子散射光的退偏度。如果激光器发出水平偏振光，当探测器前面的线偏振器为水平偏振方向时，物体反射光能量和散射光能量大约相等，对比度最小，图像模糊；当线偏振器的偏振方向与光源的偏振方向垂直时，则接收到的物体反射光能量远大于光源的散射光能量，所以对比度最大，图像清晰。一些实验表明，大多数漫射目标倾向于使圆偏振光退偏振的程度优于对线偏振光的退偏振。美海军水下研究及发展中心、海军武器试验站对用圆偏振光照明提高能见度作了模拟实验，取得了肯定结果，并测量了漫射目标及水体的偏振系数。 上述结论可应用于激光穿雾探测。比较偏振激光在浓雾和弱雾中传输的仿真结果，可得出以下结论：1) 偏振激光在弱雾中传输时，其散射偏振角的变化较规则。在浓雾中传输时，散射偏振角的变化不规则；2) 偏振激光在浓雾中比弱雾中的散射强，退偏角度大；3) 云雾对激光的散射能量主要集中在激光传输方向(前向)附近很窄的一个范围内，所以在前向小角范围内，各种云雾的散射强度会随着散射角的增大急剧下降；4) 同轴探测时，对于不同的云雾，当光学厚度相同时，衰减系数越大，多次散射的影响越严重；当光学厚度增大时，高阶散射的增长速度远高于一次散射，所以多次散射在散射总能量中所占的比例很大；5) 激光在衰减较严重的云雾中传输时需要考虑多次散射的影响；6) 非同轴探测时，多次散射的影响有很大程度上的减小。如在激光引信设计的过程中，在结构允许时应尽量拉大基线距离，并形成一定面积的盲区，这样有利减小云雾多次散射造成的干扰，特别是可以抑制近距离浓云雾产生的后向散射信号；7) 在接收视场的范围内，多次散射信号随着激光照射距离而增大。所以利用小视场探测器，采用收发光束交叉的探测方法，可有效减小云雾多次散射对激光引信系统造成的影响。 大气湍流对激光探测威力有很大影响，大气的湍流运动会引起光斑的漂移和闪烁，特别是在强湍流情况下，光信号受到严重干扰甚至光斑破碎。在大气激光通信中，有利用MIMO(多输入多输出)技术提高通信容量和抑制大气湍流的研究报道。 MIMO (Multiple Input Multiple Output)最早是控制系统中的一个概念，上世纪90年代中期，将MIMO概念用于无线移动通信系统。在本世纪初，人们开始将M IMO概念拓展到雷达探测技术领域。MIMO雷达具有波形的低截获和抗干扰能力、强杂波背景下小目标检测能力、利用分集增益探测弱小目标和隐身目标及增加作用距离的能力、多目标探测和抗饱和攻击的能力等。 对MIMO雷达的研究主要分为两种体制：其中一种是发射天线阵单元空间分布很广，这样远场目标回波对每个天线来说接收信号就可以认为是多个独立散射体的回波，称为统计或空间分集MIMO雷达。相参MIMO雷达是接收天线和发射天线分置的，接收天线阵一般密布，即阵元间距dt < λ/2。发射天线一般稀布，且发射波束在空域是相关的，所以，多个发射宽波束可以被接收端综合实现发射窄波束，而目标仍被看作点目标。 由于激光波长短，很容易实现MIMO空间分集所要求的尺寸，在激光相干探测和阵列探测的基础上，引入MIMO技术无疑将会有效提高激光雷达探测性能。 美国佛罗里达大学的Neha Sharma和Henry Zmuda提出了一种“基于电子束控光学相控阵技术的MIMO激光雷达”。该雷达采用MIMO阵列设计理念，表明激光雷达阵列的分辨率可大大超过传统阵列的衍射极限。此外，阵列方法的使用具备电控孔径能力，从而避免了在激光雷达系统中通常遇到的机械光束扫描问题。该系统若能实现，将大大推进现代激光雷达的高速成像、目标探测、跟踪和特征分析能力。 图1是一个典型MIMO激光雷达的发射-接收阵列系统。M个辐射源发射独立信号x 0 ，……，x M -1 ，这些信号由N个接收单元y 0 ，……，y N -1 探测。MIMO激光雷达可通过激光源光学耦合到光纤束来实现，光纤束由以等间距dR交替放置的发射机和接收机组成，步进多模光纤束用做接收和发射的光纤单元。发射束无衰减地从目标散射开，并由接收阵列单元接收。激光源可以是一个连续波简单紧凑的二极管，或一个能在超短持续时间内提供大振幅的固态Q开关激光器。载波波长非常小，仅几个微米，不需要脉冲压缩波形。
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user: 4. 看得更隐蔽——低截获概率激光雷达技术 现代战争中，光电对抗已成为近年来电子战中发展最快、投资比重日益加大的一个重要领域，对抗技术与反对抗技术相互促进，交替发展。其中，激光主动探测与激光被动告警技术是一对很有意思的“矛”和“盾”的对应关系，此消彼长，你退我进，“拉锯式”的白热化对抗最终使得整个光电对抗体系日趋完善。 在目前的战场激光对抗中，作为“矛”的典型代表—激光测距机与作为“盾”的典型代表—激光告警机中采用的信号检测手段均为峰值功率检测技术。我们知道，激光告警是对测距信号的单程被动接收，而激光测距机需要进行一发一收的双程传输，单从这一点上来讲，同等条件下激光测距机无疑始终处于劣势。非但不能有效探测敌方目标，反而暴露了己方目标的行踪，适得其反，事倍功半。因此，针对目前主动激光探测现状，必须寻求体制上的新突破，变被动为主动，化劣势为优势。 长期以来，我们一直存在一种“误区”，即目标探测的性能取决于发射信号的峰值功率。事实上，借鉴微波雷达，正确的理解应是：目标的探测性能应取决于信号的能量而不是单纯的峰值功率。因此，我们认为，目前只有也仅有在激光探测技术中引入灵活的峰值功率信号设计才能获得体制上的优势，才能实现安全、隐蔽的探测敌方目标而不被发现。 我们认为，可采用以下两种信号形式：1) 采用低峰值功率、高占空比的脉冲压缩信号(图2)；2) 采用同比峰值功率最低的线性调频连续波(LFMCW)信号。 相比于微波雷达，激光采用连续波体制显得更有优势 [ 1 ] - [ 3 ] ：激光雷达采用收发分置解决收发隔离问题，一是所占空间小；二是激光光束没有副瓣泄露之忧。而且，由于激光波束窄，同一波束内只有单目标出现，采用正负斜率线性调频连续波体制可简化目标配对的难题，可以同时获得目标的距离和径向速度。因此，采用连续波体制的激光雷达可以做到寂静探测、先敌发现。 上述低截获概率性能的提高主要涉及到以下几个方面：1) 宽带、低旁瓣、高增益、自适应天线技术；2) 连续波、准连续波体制；3) 大时宽脉冲压缩技术；4) 宽发窄收；5) 复杂调制波形设计；6) 频率捷变；7) 自适应波束形成等。 低截获概率激光探测新技术的研究将直接服务于新一代主动激光探测武器装备的研制，是一场技术体制上的新变革。我们相信，低截获概率新概念的引入，将会对目前的光电对抗体系带来一轮新的冲击，将会大幅提升“矛”的主动进攻威力，将有可能迫使目前的光电告警机等被动探测装备不得不也寻求新的体制突破。从而在长远看来，将会有力促进整个光电攻防对抗体系的“螺旋式上升”，意义深远。 图1. MIMO激光雷达发射–接收阵列 图2. 脉冲压缩信号与传统单脉冲信号对比 事实上，在此方面国外已有成功的范例可以借鉴。美国雷声公司生产的“战术战斧”导弹末制导采用二氧化碳激光雷达制导+毫米波雷达制导 [ 4 ] ，并采用连续波调制和相干脉冲探测体制，探测方式为外差探测。由于采用了新体制，使得激光告警接收机的灵敏度至少要优于70 dBW才行(而目前的激光告警机的灵敏度大都在50 dBW水平)。该导弹目前已成功装备于美国“伯克”级导弹驱逐舰和英国“特拉法加”级核潜艇。
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user: 5. 结束语 “他山之石，可以攻玉”。本文借鉴微波雷达的发展历程，对激光雷达的发展路线进行了几点探讨和思考，谨起到“抛砖引玉”的作用。随着激光雷达在军事和民用领域的蓬勃发展，会有更多的新体制激光雷达涌现出来。
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user: 摘 要 飞秒激光由于其超快时间特性和超高值功率特性在生物学应用领域取得了重大的成功，飞秒激光与生物材料作用的机理研究引起了众多学者的浓厚兴趣，通过近数十年的研究已经得到了突破性的进展。本文综述了飞秒在现代生物学领域中的一些应用，包括激光生物效应、活细胞微手术、直写微纳加工应用、细胞成像等。最后对飞秒激光的应用前景做了简要预测。 关键词 :飞秒激光，激光生物学，细胞成像，细胞手术
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user: 1. 飞秒激光特点 1960年7月，美国人Mahaan博士研究出世界上第一台激光器(红宝石激光器)。激光作为一种新型的光源具有以往光源所不具有的一系列优点，如高强度、高方向性、高单色性、高相干性。此后，激光技术得到了飞速发展，其中一个重要方向就是向输出脉宽越来越窄的脉冲方向发展。到目前为止，脉冲持续时间已由纳秒(ns)、皮秒(ps)压缩至飞秒(fs)，甚至至阿秒(as)级。故飞秒激光的脉冲持续时间远短于热平衡时间(10 −12 s数量级)，所以在与物质作用时，飞秒激光注入的能量被集中在一个空间极小的范围内，其能量几乎不会被传递到直接作用区以外，对作用区周围的热影响极小。由于聚焦激光的焦斑尺寸极小，能量密度极高，能量的利用率亦大大提高。这使得被作用区域的温度在极短时间内升到极高，远超过材料的液化和气化温度，促使物质发生高度电离，达到等离子态。同时，由于飞秒激光的强度在空间上一般呈高斯分布，即激光焦斑中心强度最大，而随着向边缘的过渡其强度逐渐减弱，因此，飞秒激光能在极短的时间、极小的空间和极端的物理条件下对生物细胞进行作用。本文综述了激光的生物效应和飞秒激光在生物学领域的具体应用。
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user: 2. 激光生物效应 激光生物效应一般是指激光作用于生物组织可能产生的物理的、化学的或生物的反应。生物组织吸收激光能量后，可能会发生一系列能量转换过程，其中包括：由光能转化成热能、机械能、化学能、生命物质的内能和生物刺激能，分别对应于激光的五种光生物效应：光热效应、机械效应、光化效应、电磁效应以及低强度激光对生物组织的刺激效应。转换的能量进一步作用于生物组织，使生物组织在细胞分子或系统上发生机能性或形态学上的变化。根据这些不同的生物效应，激光可应用于医学研究、诊断和治疗 [ 1 ] 。 a) 激光生物热效应 激光频率与受照生物组织分子的振动频率相等或相近时，会使分子振动加强，与其他分子的碰撞频率就会增加，生物体的局部会温度升高，光能转化为分子的动能后变成热能。温度超过一定阈值，将会造成蛋白质变性，生物组织表面收缩、脱水、组织内部因水分蒸发而受到破坏，造成组织凝固坏死，当局部温度急剧上升达几百度甚至上千度时，可以造成照射部分碳化或汽化 [ 2 ] 。此过程称为激光生物热效应，是激光作用生物组织最常见的生物效应。 在医学临床治疗时常会利用激光的热效应来凝固、汽化或碳化生物组织。脉冲染料激光血管内照射作用于微血管上皮细胞来治疗瘢痕，就是利用了光热效应的热致凝固效应。微血管中的血红蛋白吸收激光，通过组织细胞的热传导凝固损伤微血管，使血管退行萎缩，从而达到治疗瘢痕的目的。采用氩离子激光治疗雀斑等色素性疾病和去除表皮皮肤的细小皱纹的光子嫩肤技术，就是利用激光光热效应碳化表皮皮肤细胞和含色素的病理性细胞，受碳化的细胞坏死凋亡，人体新陈代谢修复生成新的细胞从而达到美容效果。采用超脉冲CO 2 激光或Er:YAG激光光热效应汽化面部表皮增生性瘢痕和浅表细纹来整容或美容，为了达到最佳作用效果和最低的损伤，临床上常将两种激光结合起来使用，先用超脉冲CO 2 激光作大面积去皱后，再用Er:YAG激光做精细修整，并且热损伤和机械损伤小，联合使用可以产生优于单一波长的医疗效果。这种激光的热致汽化作用也已应用于医学临床的皮肤整形美容科 [ 3 ] 。 b) 激光生物机械效应 由于光子本身就具有一定的质量、动量和能量等属性，当激光照射生物组织时，光子把自身的动量传给吸收体，光子与受照对象物质相互碰撞时会对受照体施以压力，此压力即为光压，是激光本身的辐射压力直接对生物组织产生的压强，称作一次压强。当巨脉冲和超短脉冲激光照射生物组织，对其作用时间极短，光能量密度集中，功率密度可以达到10 15 W/cm 2 量级，会在生物组织中产生10 6 ℃量级的高温、10 11 Pa量级的高压以及10 4 V/cm量级的高电磁强度等特殊效应，这些高温、高压和强电磁场效应继发作用引起气流反冲压、内部汽化压、热膨胀超生压、热致等离子体以及因激光的强电场继发作用引起的电致伸缩压等，叫二次压强。激光对生物组织细胞的压强可以改变生物组织细胞的形状和生理学状态，主要是由二次压强产生的机械力起作用 [ 1 ] 。 在临床上，利用激光引起的压强作用可治疗多种疾病，等离子体膨胀产生的冲击波可应用于激光眼科手术及激光碎石术。如眼科中的压力打孔以及用脉冲染料激光和调Q Nd:YAG激光在结石表面或在结石的周围灌洗液中形成等离子体所产生的高压冲击波击碎结石。 c) 激光生物光化效应 激光生物光化效应又称激光生物光化反应，是指在激光的作用下，生物物质产生理化反应。生物物质之所以能生长发育、修复和繁育等，其中生化反应是主要因素之一。激光生物光化反应可分为原初光化反应和继发光化反应两个阶段，当一个处于基态的生物分子吸收一个或多个光子能量以后，受激跃迁到某一激发状态，在它从激发态返回到基态，但又不返回到原来的能量状态的驰豫过程中，多出来的能量消耗在本身化学键断裂或形成新键上，其发生的化学反应称为原初光化反应。通常在此过程中会形成大多数具有高度化学活性的中间产物，如自由基、离子或其他不稳定的产物。这些极不稳定的中间产物继续进行化学反应直至形成稳定产物，这种光化反应称为继发光化反应，前后两种反应组成了一个完整的光化反应过程，其中继发光化学反应在有光或无光的环境中均可发生。整个光化学反应的过程大致可分为光致分解、光致氧化、光致聚合及光致敏化四种主要类型。光致敏化效应又包括光动力作用和一般光敏化作用 [ 1 ] 。 应用光敏剂进行的光动力学疗法是光化效应的典型应用。在机体内注射某种光敏物质，光敏剂被肿瘤细胞和病理性增生组织所吸收，而正常细胞吸收的光敏物质很少，病变组织内的光敏剂含量远大于正常组织。生物组织在受到近紫外和可见光的照射下，积存于病变组织中的光敏剂经光照激发，会象催化剂那样可反复不断地敏化产生光氧化作用破坏肿瘤和病变性组织分子和细胞，破坏肿瘤组织内的微血管循环系统。生物体系中的变化是敏化剂引发的光氧化过程的结果，通过生物光敏化作用来损伤肿瘤和其它病理性增生组织而达到治疗目的称为光动力疗法。光动力学疗法可选择性地破坏肿瘤组织和病理性组织，对正常组织损伤小，所以它是一种较好的治疗方法，尤其对研究、诊断和治疗。 d) 激光生物电磁效应 激光是一种电磁波，激光与生物组织相互作用实质上是电磁场与生物组织相互作用，在这种作用中主要是电场起作用，强电场会导致生物分子发生激励、振动、高温、高压和共振等作用，引起生物组织损伤，促使自由基增加；同时也会影响酶的活性，使酶活化，提高生理生化反应速度。这种高功率密度激光作用于生物组织会引起生物组织变化的效应就称为激光电磁效应。 当激光照射人体组织时，相当于将人体置于强大的电场中。而人体类似于电介质电容器，电介质中整个分子呈中性，但中性分子的电荷分布不均衡，正负电荷的电中心重合的为非极性分子，正负电荷的电中心不重合的为极性分子。在电场作用下，非极性分子的正负电荷分别朝相反方向运动，使分子发生极化，被极化的分子在电场作用下将重新排列，在重排过程中与周围分子(粒子)发生碰撞摩擦而产生大量的热。这种电磁场效应引起或改变生物组织分子及原子的量子化运动，引起生物组织发生一系列的变化，据此可用于多种生物医学作用 [ 1 ] 。 e) 激光生物刺激效应 临床实践表明弱激光作用于生物组织时，不对生物组织直接造成不可逆的损伤，而是会产生某种与超声波、针灸、艾灸等机械的和热的物理因子所获得的生物刺激相类似的某些应答性反应，这种效应叫作激光生物刺激效应。生物体对这种刺激的某些应答性反应可能是兴奋，也可能是抑制，由激光和生物体两者性质而定。这种刺激可引起机体的免疫功能，血液循环、血红蛋白合成、糜蛋白酶活性及白细胞噬菌作用等的应答性反应，在合适的条件下，这种应答性反应是有益的，它有利于生物的生存和延续。
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user: 4. 结论 通过介绍飞秒激光在在细胞微手术、微纳加工和细胞组织成像等领域中的应用实例，证明飞秒激光 图5. 共聚焦(a)和双光子(b)荧光显微成像技术原理图 图6. 成像系统实验装置示意图 [ 20 ] 在生物学中的应用前景将更为广阔。尽管飞秒激光手术具有如此大的优越性，但在实际的临床中应用还比较少，主要由于飞秒激光器还存在稳定性、价格昂贵、结构庞大、可操作性差和对特殊生物组织的可复性损伤阈值问题等，需要进一步改进和完善。
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user: 摘 要 目的：探讨情绪调节自我效能感在羞怯与疏离感之间的中介作用。方法：随机选取360名大学生，采用羞怯量表中文版、情绪调节自我效能感量表、大学生疏离感量表进行测量。结果：情绪调节自我效能感和羞怯对疏离感有预测作用，在控制了情绪调节自我效能感之后，羞怯对疏离感的正向预测作用依然有统计学意义(β值从0.507下降到0.383)。结论：情绪调节自我效能感在羞怯和疏离感之间起部分中介作用。 关键词 :情绪调节自我效能感，羞怯，疏离感