寬帶近紅外光的案例
中國地大《CEJ》：一種夜視成像系統(tǒng)用熒光粉的寬帶近紅外發(fā)射！
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129271
近紅外（NIR）光譜技術(shù)可以基于700-1100nm光譜范圍內(nèi)C–H、O–H和N–H的特征吸收信號(hào)快速檢測(cè)有機(jī)成分。最近，有人提議在智能手機(jī)中使用小型近紅外光源來檢測(cè)肉類、水果和蔬菜的新鮮度和安全性。發(fā)光二極管（LED）具有對(duì)環(huán)境影響小、體積小、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，是一種很有前途的智能手機(jī)光源。然而，（Al，Ga）As基NIR-LED的半高寬（FWHM）較窄，無法發(fā)射較寬的近紅外波段。因此，許多研究都圍繞著開發(fā)新型的由藍(lán)籌股激發(fā)的高效寬帶近紅外熒光粉展開。先前的研究已經(jīng)報(bào)道了許多基于稀土或過渡元素?fù)诫s的氧化物熒光粉的近紅外發(fā)射材料。由于cr3+的最外層電子構(gòu)型為3d3，cr3+離子在弱八面體晶體場中容易產(chǎn)生寬帶近紅外發(fā)射。利用該設(shè)計(jì)原理，制備了大量摻Cr~（3+）的寬帶近紅外發(fā)光氧化物熒光粉。大多數(shù)制造的NIR熒光粉具有優(yōu)異的發(fā)光性能，其在NIR-LED中的應(yīng)用具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率。為了滿足大功率LED器件的應(yīng)用要求，熒光粉必須具有良好的發(fā)射熱穩(wěn)定性。
展開 利用近紅外光實(shí)現(xiàn)光氧化還原催化過程
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 近紅外光-橙光以及近紅外光-藍(lán)光的上轉(zhuǎn)換策略
圖2 近紅外光驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)實(shí)例
圖3 近紅外光穿透介質(zhì)實(shí)驗(yàn)
圖4近紅外光以及藍(lán)光的朗伯-比爾定律應(yīng)用
文獻(xiàn)鏈接：Photoredox catalysis using infrared light via triplet fusion upconversion（Nature, 2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0835-2）
本文由材料人學(xué)術(shù)組NanoCJ供稿，材料牛編輯整理。
5，comsol超表面-石墨烯增強(qiáng)金屬納米結(jié)構(gòu)的近紅外光吸收 ￥3389
本文復(fù)現(xiàn)了論文《基于磁激元效應(yīng)的石墨烯-金屬納米結(jié)構(gòu)近紅外吸收研究》-陳浩 該篇論文中所有結(jié)果。
基于磁激元效應(yīng)的石墨烯-金屬納米結(jié)構(gòu)近紅外吸收研究.pdf
首先，模型如下
在半無窮大Ag襯底上有一層sio2，sio2上面有周期性的Ag納米顆粒，一束平面光從上往下垂直照射，作者發(fā)現(xiàn)在Ag納米顆粒上面鋪一層石墨烯，能大大提高對(duì)近紅外光波段的光的吸收。
首先 撇開石墨烯不談，這個(gè)模型是仿真超材料吸收方面的基礎(chǔ)中的基礎(chǔ) ，即設(shè)計(jì)一個(gè)周期性的結(jié)構(gòu)，然后計(jì)算該結(jié)構(gòu)的吸收光譜。
本文的難點(diǎn)在于石墨烯的仿真。文中給出了通過計(jì)算石墨烯電導(dǎo)率，然后得到石墨烯的相對(duì)介電常數(shù)。具體如下圖
文中將石墨烯當(dāng)做面材料處理，作者說由于石墨烯太薄，若當(dāng)做體材料處理會(huì)大大增加計(jì)算量。
其實(shí)把石墨烯畫成體材料，然后手動(dòng)用掃略去剖網(wǎng)格的話，并不會(huì)增加太多計(jì)算量。在下面的付費(fèi)內(nèi)容中額外給出了把石墨烯畫成體材料的模型。把石墨烯處理成體材料或者面材料在本文模型中計(jì)算結(jié)果一致，如下圖。
以下是論文VS我復(fù)現(xiàn)的對(duì)比
1，首先對(duì)比有無石墨烯時(shí)候的吸收光譜
2，在吸收峰值處的磁場分布與損耗功率密度
3，改變多種參數(shù)，反復(fù)計(jì)算
4，石墨烯相對(duì)介電常數(shù)的虛部
下面是付費(fèi)內(nèi)容，如下圖
展開 Lumerical案例 | 近紅外鈣鈦礦發(fā)光二極管光提取效率優(yōu)化
圖4 803nm波長處的光學(xué)模式
技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用前景
4.1與現(xiàn)有技術(shù)的對(duì)比分析
將本研究結(jié)果與現(xiàn)有近紅外PeLED研究進(jìn)行對(duì)比，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯而易見。例如，Bai等人通過調(diào)控載流子傳輸和引入高折射率材料，實(shí)現(xiàn)了41.82%的光提取效率；而本研究通過純光學(xué)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在相似波長范圍內(nèi)達(dá)到了42.89%的更高效率，且無需引入復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)或新型材料，具有更好的工藝兼容性。
與傳統(tǒng)的光提取增強(qiáng)技術(shù)（如納米結(jié)構(gòu)陣列、光子晶體等）相比，本研究提出的層厚度優(yōu)化策略具有明顯優(yōu)勢(shì)。首先，該方法基于平面結(jié)構(gòu)，無需復(fù)雜的納米加工工藝，成本更低且易于規(guī)模化生產(chǎn)；其次，平面結(jié)構(gòu)的器件穩(wěn)定性更高，避免了納米結(jié)構(gòu)可能帶來的界面缺陷和可靠性問題。
4.2近紅外PeLED的應(yīng)用場景展望
近紅外PeLED在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，800-950nm的近紅外光具有良好的組織穿透性，可用于熒光成像、光動(dòng)力治療和生物傳感器等。優(yōu)化后的高亮度、高效率近紅外PeLED有望成為下一代生物醫(yī)學(xué)成像設(shè)備的理想光源。
在通信與傳感領(lǐng)域，近紅外波段是光纖通信的常用窗口，高效率的近紅外PeLED可用于短距離光通信和環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器。此外，在夜視成像、激光雷達(dá)（LiDAR）和安防監(jiān)控等領(lǐng)域，近紅外PeLED也具有重要應(yīng)用價(jià)值，其高亮度和低功耗特性可顯著提升設(shè)備性能。
結(jié)論：邁向高效近紅外光電子時(shí)代
本研究通過FDTD仿真指導(dǎo)的層厚度優(yōu)化與活性層吸收調(diào)控策略，成功將近紅外PeLED的光提取效率提升至42.89%，為PeLED的性能提升提供了一條簡單有效的技術(shù)路徑。從科學(xué)意義上講，該研究證實(shí)了通過精確的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料特性調(diào)控，可以有效克服全內(nèi)反射限制，為高效光提取提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
展開 
光學(xué)新研究｜用近紅外光代替可見紅光，驚現(xiàn)新型光合作用
光合作用是我們大家都熟悉的，最近發(fā)現(xiàn)了一種新型的光合作用，利用近紅外光代替光合作用典型的可見紅光。大家看看是怎么回事吧！
光合作用
光合作用通常是指綠色植物（包括藻類）吸收光能，把二氧化碳(CO2)和水(H2O)合成富能有機(jī)物，同時(shí)釋放氧的過程。
近紅外光
近紅外光是介于可見光（VIS）和中紅外光（MIR）之間的電磁波，按ASTM（美國試驗(yàn)和材料檢測(cè)協(xié)會(huì)）定義是指波長在780～2526nm范圍內(nèi)的電磁波。習(xí)慣上又將近紅外區(qū)劃分為近紅外短波（780~1100nm）和近紅外長波（1100~2526nm）兩個(gè)區(qū)域。
新發(fā)現(xiàn)
倫敦帝國理工學(xué)院的一項(xiàng)新研究描述了一種新型光合作用。科學(xué)家稱這項(xiàng)研究成果“涉及到改變我們對(duì)基本機(jī)制的理解”。此外科學(xué)家還指出，這一發(fā)現(xiàn)可能為比現(xiàn)有選擇更有效的基因工程作物鋪平道路。
根據(jù)這項(xiàng)研究，研究人員發(fā)現(xiàn)了一種新型的光合作用，利用近紅外光代替光合作用典型的可見紅光。
紅光光合作用涉及綠色色素葉綠素-a，其從紅光為植物收集能量。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，某些藍(lán)藻在近紅外光豐富的陰影區(qū)生長時(shí)不會(huì)利用葉綠素-a，轉(zhuǎn)而會(huì)利用葉綠素-f。這使得藍(lán)藻能夠在光線較暗的海岸巖石之類的地方生長。
研究人員此前已經(jīng)知道葉綠素-f的存在; 相反，這項(xiàng)研究揭示了它在一種新型光合作用中的應(yīng)用，這種新型光合作用在近紅外光更容易獲得的環(huán)境中使用。研究人員將這種類型的光合作用稱為“超越紅色極限”，它對(duì)天體生物學(xué)具有很大啟發(fā)。
研究人員表示，天體生物學(xué)領(lǐng)域使用“紅色極限”來確定不同植物是否可能有復(fù)雜的生命形式。
該研究的首席研究員 Bill Rutherford教授表示，這一發(fā)現(xiàn)“正在改變教科書上的內(nèi)容。”
展開 浙大王立教授和俞豪杰副教授團(tuán)隊(duì)AFM：受貽貝啟發(fā)的基于鐵-兒茶酚復(fù)合物的近紅外光觸發(fā)形變聚合物
近紅外（NIR）光響應(yīng)形變聚合物因其獨(dú)特的光響應(yīng)形狀轉(zhuǎn)變及驅(qū)動(dòng)性能在驅(qū)動(dòng)器、軟體機(jī)器人、機(jī)械工程以及航空航天等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。NIR光是一種可精確調(diào)控的刺激源，通過對(duì)光線的調(diào)控可以對(duì)光響應(yīng)形變過程進(jìn)行遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制。目前NIR光響應(yīng)形變聚合物主要通過在聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)引入一定量碳納米管、石墨烯等具有光熱轉(zhuǎn)換效應(yīng)的填料而制備得到，但該類方法面臨填料團(tuán)聚等挑戰(zhàn)。填料團(tuán)聚會(huì)顯著影響聚合物網(wǎng)絡(luò)的均一性，對(duì)所得NIR光響應(yīng)形變聚合物的機(jī)械性能、形變性能以及光響應(yīng)性等造成不利影響。
近日，浙江大學(xué)王立教授和俞豪杰副教授課題組受貽貝粘蛋白化學(xué)啟發(fā)，制備了一種不含光熱轉(zhuǎn)換填料的NIR光響應(yīng)形變聚合物。該聚合物由兒茶酚（Catechol）封端的聚乙二醇（PEG-Dopa）與Fe(III)在堿性（pH=11）條件下經(jīng)配位交聯(lián)后制得（圖1）。
圖 1. 聚合物的制備及結(jié)構(gòu)表征
聚合物網(wǎng)絡(luò)中形成的tris-Catechol-Fe (III) 配合物對(duì)NIR光有較強(qiáng)的吸收，使得聚合物表現(xiàn)出較強(qiáng)的光熱轉(zhuǎn)換能力。借助PEG鏈段的結(jié)晶/熔融相轉(zhuǎn)變行為，所制備的聚合物具有較好的NIR光響應(yīng)形變特性（圖2）。此外，利用Catechol-Fe (III) 配位鍵在高溫下的鍵交換，還可重塑聚合物的初始形狀。鑒于該聚合物良好的光響應(yīng)形變特性，對(duì)其在光控開關(guān)方面的應(yīng)用進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)所得光控開關(guān)有靈敏的光響應(yīng)性能。
圖2. 聚合物的光熱轉(zhuǎn)換性能、光響應(yīng)形變性能
圖3.
展開 西安交通大學(xué)陳鑫教授/白永康副教授課題組：從切蘋果到原位生成構(gòu)建近紅外光響應(yīng)三段形狀記憶材料
近紅外光響應(yīng)形狀記憶聚合物因其遠(yuǎn)程控制等優(yōu)勢(shì)在光驅(qū)動(dòng)器、光控微流體器件及生物醫(yī)學(xué)裝置等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。目前制備近紅外光響應(yīng)形狀記憶聚合物的常用方法是將貴金屬納米顆粒等光熱轉(zhuǎn)化材料引入熱響應(yīng)形狀記憶聚合物，但為了提高光熱材料在聚合物中的相容性一般需要采用表面改性、原位接枝等手段。同時(shí)傳統(tǒng)的貴金屬納米顆粒或石墨烯等材料均涉及復(fù)雜的合成過程，這些因素的存在會(huì)大大提高材料制備的難度和成本。因此如何通過一種簡單易行的手段制備近紅外響應(yīng)形狀記憶材料仍是目前該研究的一個(gè)難點(diǎn)。
在生活中，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)蘋果或梨用鐵刀切了以后，表面會(huì)變黑。這是由于蘋果或梨等水果的細(xì)胞里含有單寧酸，單寧酸與鐵離子化合會(huì)生成黑色的單寧酸鐵納米顆粒，而該納米顆粒則具有優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)化性能。受此啟發(fā)，西安交通大學(xué)化工學(xué)院陳鑫教授/白永康副教授課題組采用原位生成的方法將單寧酸鐵納米顆粒（FeTA）引入固態(tài)的熱響應(yīng)形狀聚合物中。他們首先采用商業(yè)化的乙烯-乙烯醇共聚物作為聚合物基底，通過二異氰酸酯交聯(lián)得到熱響應(yīng)形狀記憶聚合物，并在此過程中引入鐵離子。然后，只要簡單的將所制備的固態(tài)薄膜浸入單寧酸溶液中，即可制備具有高光熱響應(yīng)性能的形狀記憶復(fù)合材料。
圖 1 （a）和（b）復(fù)合材料的光熱轉(zhuǎn)化性能；（c）和（d）復(fù)合材料近紅外光響應(yīng)形狀記憶行為
通過對(duì)復(fù)合材料微觀形貌、機(jī)械性能、光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)等性能的研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eTA納米顆粒能夠均勻地分散在聚合物基底中，使得材料不僅能夠體現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)優(yōu)異的光響應(yīng)形狀記憶性能。
展開 Ansys Zemax | 如何模擬光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)
選用800 nm范圍內(nèi)的光以防止光在生物組織中被吸收，影響光穿透力。
光源規(guī)格
OCT將干涉測(cè)量法與寬帶近紅外光結(jié)合使用。寬帶光源具有最佳的分辨率，而波長決定了光在樣品材料中的穿透深度。本例中，我們將使用中心波長為840 nm、FWHM為60 nm的光源，軸向分辨率為5μm：
本例超發(fā)光二極管的光譜特性也可以從商用超發(fā)光二極管中獲取。在超發(fā)光二極管發(fā)光過程，選用用于生物成像的常用波長和具有高分辨率的寬帶光源。我們將忽略用于光線準(zhǔn)直的光學(xué)器件，并從光線進(jìn)入干涉儀開始建模。
OpticStudio有兩種方式來定義寬帶光源，第一種方式為在適當(dāng)范圍內(nèi)，定義多個(gè)系統(tǒng)波長；第二種方式將相干長度作為光源屬性定義。相干是OCT系統(tǒng)的必要特征，因此我們將使用“將相干長度作為光源屬性定義”的方法，并允許OpticStudio通過以下方式進(jìn)行帶寬計(jì)算和采樣：
表面設(shè)置如下圖所示：
創(chuàng)建系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
為了將相干系統(tǒng)模擬出來，并且一次能追跡多條光線，我們將使用OpticStudio非序列模型建模。在這一環(huán)節(jié)中，我們必須進(jìn)行光線追跡，同時(shí)為了解邁克爾遜干涉儀里所有反射與透射光的光路，需要勾選“Split NSC Rays”
OCT的測(cè)試原理：使用寬帶低相干性的光源，通過邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生干涉信號(hào)，并通過干涉信號(hào)去計(jì)算樣品內(nèi)反射光的具體位置。我們將運(yùn)用自由空間光學(xué)來擺放相關(guān)器件，使用分束器將光線分束，參考鏡放置在參考臂的位置上，樣品模型放置在樣品臂的位置上。系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及相關(guān)參數(shù)定義如下方的非序列元件編輯器所示。
通過OpticStuido創(chuàng)建兩個(gè)分束器，分別為物體2與物體3，物體類型為“多邊形物體”，它們是由45°的棱鏡組成。在物體屬性選項(xiàng)中選擇數(shù)據(jù)文件“Prism45.pob”。
展開 Ansys Zemax | 如何模擬光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)
選用800 nm范圍內(nèi)的光以防止光在生物組織中被吸收，影響光穿透力。
光源規(guī)格
OCT將干涉測(cè)量法與寬帶近紅外光結(jié)合使用。寬帶光源具有最佳的分辨率，而波長決定了光在樣品材料中的穿透深度。本例中，我們將使用中心波長為840 nm、FWHM為60 nm的光源，軸向分辨率為5μm：
本例超發(fā)光二極管的光譜特性也可以從商用超發(fā)光二極管中獲取。在超發(fā)光二極管發(fā)光過程，選用用于生物成像的常用波長和具有高分辨率的寬帶光源。我們將忽略用于光線準(zhǔn)直的光學(xué)器件，并從光線進(jìn)入干涉儀開始建模。
OpticStudio有兩種方式來定義寬帶光源，第一種方式為在適當(dāng)范圍內(nèi)，定義多個(gè)系統(tǒng)波長；第二種方式將相干長度作為光源屬性定義。相干是OCT系統(tǒng)的必要特征，因此我們將使用“將相干長度作為光源屬性定義”的方法，并允許OpticStudio通過以下方式進(jìn)行帶寬計(jì)算和采樣：
表面設(shè)置如下圖所示：
創(chuàng)建系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
為了將相干系統(tǒng)模擬出來，并且一次能追跡多條光線，我們將使用OpticStudio非序列模型建模。在這一環(huán)節(jié)中，我們必須進(jìn)行光線追跡，同時(shí)為了解邁克爾遜干涉儀里所有反射與透射光的光路，需要勾選“Split NSC Rays”。
OCT的測(cè)試原理：使用寬帶低相干性的光源，通過邁克爾遜干涉儀產(chǎn)生干涉信號(hào)，并通過干涉信號(hào)去計(jì)算樣品內(nèi)反射光的具體位置。我們將運(yùn)用自由空間光學(xué)來擺放相關(guān)器件，使用分束器將光線分束，參考鏡放置在參考臂的位置上，樣品模型放置在樣品臂的位置上。
展開 如何在 OpticStudio 中模擬光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)
顏色深度的改變意味著反射光的強(qiáng)度改變，說明內(nèi)部材料發(fā)生變化。
一個(gè)典型的OCT系統(tǒng)如下圖。光束被均勻地分成兩束，分別進(jìn)入?yún)⒖急叟c樣品臂。其中一束光在體積樣品中疊加，從而減小掃描面積。光源是寬帶準(zhǔn)直光源，寬帶光源的選擇意味著低相干性和高精度的深度定位，從而使參考鏡與樣品之間的反射光相干。
深度掃描，也稱為縱向掃描或a掃描，用于測(cè)量反射光的強(qiáng)度，作為反射光透過樣品距離的函數(shù)。在OCT系統(tǒng)中的不同位置進(jìn)行深度掃描，這一過程通常由參考鏡完成，參考鏡完成掃描后對(duì)比樣品反射光的光程與樣品、參考鏡之間光路的光程差。
通過在X或Y方向上旋轉(zhuǎn)掃描鏡實(shí)現(xiàn)橫向、縱向或b掃描，使探測(cè)光在樣品區(qū)域上平移。
我們將從商用OCT系統(tǒng)中獲得設(shè)計(jì)規(guī)格。軸向分辨率由光源特性(相干長度)決定，大約為5 μm。橫向分辨率由光束聚焦在樣品處的光斑大小決定，設(shè)置為15 μm。選用800 nm范圍內(nèi)的光以防止光在生物組織中被吸收，影響光穿透力。
03
光源規(guī)格
OCT將干涉測(cè)量法與寬帶近紅外光結(jié)合使用。寬帶光源具有最佳的分辨率，而波長決定了光在樣品材料中的穿透深度。本例中，我們將使用中心波長為840 nm、FWHM為60 nm的光源，軸向分辨率為5μm：
本例超發(fā)光二極管的光譜特性也可以從商用超發(fā)光二極管中獲取。在超發(fā)光二極管發(fā)光過程，選用用于生物成像的常用波長和具有高分辨率的寬帶光源。我們將忽略用于光線準(zhǔn)直的光學(xué)器件，并從光線進(jìn)入干涉儀開始建模。
展開 如何在 OpticStudio 中模擬光學(xué)相干層析成像系統(tǒng)
顏色深度的改變意味著反射光的強(qiáng)度改變，說明內(nèi)部材料發(fā)生變化。
一個(gè)典型的OCT系統(tǒng)如下圖。光束被均勻地分成兩束，分別進(jìn)入?yún)⒖急叟c樣品臂。其中一束光在體積樣品中疊加，從而減小掃描面積。光源是寬帶準(zhǔn)直光源，寬帶光源的選擇意味著低相干性和高精度的深度定位，從而使參考鏡與樣品之間的反射光相干。
深度掃描，也稱為縱向掃描或a掃描，用于測(cè)量反射光的強(qiáng)度，作為反射光透過樣品距離的函數(shù)。在OCT系統(tǒng)中的不同位置進(jìn)行深度掃描，這一過程通常由參考鏡完成，參考鏡完成掃描后對(duì)比樣品反射光的光程與樣品、參考鏡之間光路的光程差。
通過在X或Y方向上旋轉(zhuǎn)掃描鏡實(shí)現(xiàn)橫向、縱向或b掃描，使探測(cè)光在樣品區(qū)域上平移。
我們將從商用OCT系統(tǒng)中獲得設(shè)計(jì)規(guī)格。軸向分辨率由光源特性(相干長度)決定，大約為5 μm。橫向分辨率由光束聚焦在樣品處的光斑大小決定，設(shè)置為15 μm。選用800 nm范圍內(nèi)的光以防止光在生物組織中被吸收，影響光穿透力。
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光源規(guī)格
OCT將干涉測(cè)量法與寬帶近紅外光結(jié)合使用。寬帶光源具有最佳的分辨率，而波長決定了光在樣品材料中的穿透深度。本例中，我們將使用中心波長為840 nm、FWHM為60 nm的光源，軸向分辨率為5μm：
本例超發(fā)光二極管的光譜特性也可以從商用超發(fā)光二極管中獲取。在超發(fā)光二極管發(fā)光過程，選用用于生物成像的常用波長和具有高分辨率的寬帶光源。我們將忽略用于光線準(zhǔn)直的光學(xué)器件，并從光線進(jìn)入干涉儀開始建模。
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