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现场指导研究与开发年度报告...
如何阅读本报告 SDRD 计划的 2023 财年 (FY) 年度报告包含三部分：引言，包括首席科学家和项目经理的评论；项目概述，包含三个主要部分，即项目描述、项目成就和项目价值；以及在内华达国家安全站点网站 https://nnss.gov/mission/sdrd 上以电子方式发布的单个项目报告摘要。 完成项目的完整技术报告可从科学和技术信息办公室 (OSTI) 或首席研究员处获得。 封面 封面和封底：来自项目 23-058“线性感应加速器的非侵入式光斑尺寸诊断”(E. Scott) 的重建图像。 封面内页：来自项目 23-019“结构和像素化/鉴别闪烁体的增材制造”(M. Staska) 的 3D 打印树脂。工作人员 SDRD 项目经理 Paul Guss 编辑 Madeline Gauthier、Anne Totten、Kristen Vernon 设计与布局 Kristen Vernon 网页设计与制作 Kirsten Kellogg、Anne Totten、Kristen Vernon、Obadiah Williams 管理和支持 Michael Baldonado、Beth Burk、Elizabeth Craft、Leslie Esquibel、Matthew Fritz、Edwin Garcia、Lisa Garcia、Emma Gurr、Sally Matthews、Ki Park、Kristen Ruocco
通过 ... 直接激光写入渐变折射率 SiGe 波导
我们报告了通过在硅衬底上外延生长的最初均匀的硅锗 (SiGe) 薄膜中进行相位分离直接激光写入渐变折射率光波导。我们使用了波长为 532 nm 的连续波 (CW) 激光器。激光束聚焦到厚度为 575 nm、Ge 浓度为 %50 的 SiGe 薄膜表面上直径为 5 µm 的光斑。通过熔化表面来诱导 SiGe 薄膜的成分分离，并通过将激光诱导熔化区的扫描速度控制在 0.1-200 mm/s 的范围内来调整成分分布。在高扫描速度下，扫描激光束会产生移动的富 Ge 熔化区，由于扩散限制的 Ge 传输不足，Ge 含量会在后缘积聚。材料特性表明，激光加工的 SiGe 微条带由富含 Ge 的条带芯（> 70% Ge）和富含 Si 的底层包层（<30% Ge）组成。扫描速度相关的相位分离允许制造具有可调成分分布的渐变折射率 SiGe 波导，这些波导通过光学传输测量和使用模拟的模式分析来表征。我们的方法还可以应用于三元半导体 (AlGaAs) 的伪二元合金，其平衡相图与 SiGe 合金的平衡相图相似。
采用光子曲面微镜的平面自由空间光束耦合的临界分析
摘要。详细分析了使用平面和曲面光子微机电系统镜进行高斯光束的自由空间耦合。分析了理论背景和非理想效应，例如有限的微镜范围、球面微镜曲率不对称、轴未对准和微镜表面不规则。使用推导的公式从理论和实验上研究和比较平面（一维）、圆柱形（二维）和球面（三维）微镜的行为。分析重点关注曲面微镜曲率半径与入射光束瑞利范围相当的尺寸范围，也对应于参考光斑尺寸。考虑到可能的非理想性，推导出基于传输矩阵的场和功率耦合系数，用于一般微光学系统，其中考虑了微系统切向和矢状平面中的不同矩阵参数。结果以归一化量的形式呈现，因此研究结果具有普遍性，可应用于不同情况。此外，还制造了形状可控的硅微镜，并用于实验分析可见光和近红外波长的耦合效率。© 作者。由 SPIE 根据 Creative Commons Attribution 4.0 International 许可证出版。分发或复制本作品的全部或部分内容需要完全注明原始出版物，包括其 DOI。[DOI：10.1117/1.JOM.2.3.034001]
单层 WSe2 与 SiO2 之间的界面热阻：考虑光声声子非平衡的拉曼探测
在过去的十年中，拉曼光谱已被证明是一种强大的光谱方法，有助于了解纳米级复杂而迷人的能量传输世界。人们开发了各种基于拉曼的方法来测量二维材料和其他纳米级结构的热性能。光热拉曼法常用于确定原子级薄材料（如石墨烯和过渡金属二硫属化合物 (TMD)）的界面热阻 (R ″ tc ) 和热导率 (k)。[1–4] 该技术同时使用激光加热样品和拉曼信号表征。温度相关的拉曼信号和 3D 热传导模型用于提取热性能测量值。通过焦耳加热的拉曼测温法同样可以探测界面能量传输和热导率；通过用激光加热代替电流加热源，可以使用物理建模和温度相关的拉曼信号来确定 R ″ tc 。 [5,6] 最近，人们设计了另一种综合光热拉曼方法，使用连续波和脉冲激光来测量二维材料的热性能。[7] 该方法通过比较一系列激光光斑尺寸和脉冲持续时间的不同拉曼温度响应来测量单层和多层石墨烯的 k。此外，双激光拉曼测温法和双波长闪光拉曼映射法分别用于测量二维材料和纳米线的热导率。[8,9]
高亮度纳米颗粒的制备与开发...
质子束直写 (PBW) 是由新加坡国立大学离子束应用中心 (CIBA-NUS) 开发的一种直写光刻技术，该技术利用聚焦质子来制造三维纳米结构 [1 – 3] 。与电子束光刻 (EBL) 相比，PBW 的优势在于质子比电子重 ~1800 倍，这使得质子传递给二次电子的能量更少，可以更直地穿透材料，并在光刻胶中沿其路径沉积恒定的能量 [4] 。凭借这些独特的特性，PBW 可以制造没有邻近效应且具有光滑侧壁的纳米结构 [3,5] 。目前，PBW 在光斑尺寸和吞吐量方面的性能受到 PBW 系统中射频 (RF) 离子源亮度较低 (~20 A/(m 2 srV)) 的限制 [6,7] 。因此高亮度离子源是进一步提升PBW系统性能的关键。降低的亮度是体现光束质量的重要参数，如束流密度、束流角度扩展和束流能量扩展[8,9]。减小虚拟源尺寸是获得高亮度离子源的一种实用方法[10]。高亮度离子源，如液态金属离子源 (LMIS) 和气体场电离源 (GFIS)，具有较小的虚拟源尺寸。LMIS 是应用最广泛的高亮度离子源，其尖端顶部有一个液态金属储存器[11-13]。强电场用于将液态金属拉到尖锐的电喷雾锥，称为泰勒锥[14]。
新加坡国立大学高能离子纳米...
新加坡国立大学核显微镜研究中心拥有三条最先进的光束线，连接到高亮度高压工程 Europa 3.5 MV Singletron 加速器。其中一条线是 NEC（美国国家静电公司）离子通道设备，利用宽束离子束分析技术进行先进材料研究。另外两条线是微束设备；一条用于生物医学样品和先进材料的核显微镜，需要相对较高的电流（>50 pA）；另一条用于质子束微加工（PBM）和材料改性，可使用较低的电流。对两条微束线的分辨率性能进行了测量，结果如下：（1）核显微镜线采用 Oxford Microbeams OM2000 终端站，配备以高激发三重态模式配置的 OM50 四极透镜。该线在 290 400 nm 的分析应用中实现了世界最佳性能，适用于 2 MeV 质子的 50 pA 电流。（2）PBM 线是世界上第一条此类线，它采用了新一代紧凑型（OM52）四极透镜（Oxford Microbeams Ltd.），也配置了高激发、三重态配置。该设备具有出色的缩小性能，在低电流应用方面实现了世界最佳性能。使用直接扫描透射离子显微镜测量的束流为每秒 10,000 个质子，光斑尺寸为 35 75 nm。2003 Elsevier BV 保留所有权利。
通过直接能量沉积制造的单道沉积物的特性获取自动化
摘要：金属增材制造工艺自诞生以来就得到了长足的发展，现代系统能够制造结构应用的部件。然而，要通过这些方法成功加工，需要进行大量实验，才能找到优化参数。在基于激光的工艺中，例如直接能量沉积，通常会沉积单道珠并进行分析，从而获得有关输入参数如何影响输出对基材的粘附等特性的信息。这些特性通常使用专门的软件从切割线珠的横截面获得的图像中确定。所提出的方法基于 Python 算法，使用 scikit-image 库和在 H13 工具钢上生产的 18Ni300 马氏体时效钢的光学显微镜成像，并计算 DED 生产的线珠的相关特性，例如轨道高度、宽度、渗透性、润湿性角度、基材上方和下方的横截面积和稀释比例。 18Ni300 马氏体时效钢沉积物的优化条件为：激光功率为 1550 W，进给速率为 12 g min −1，扫描速度为 12 mm s −1，保护气体流速为 25 L min −1，载气体流速为 4 L min −1，激光光斑直径为 2.1 mm。对于横截面焊道，计算其各自的高度、宽度和穿透力的误差分别为 2.71%、4.01% 和 9.35%；稀释比例计算的误差为 14.15%，基材上方面积的误差为 5.27%，基材下方面积的误差为 17.93%。处理一幅图像的平均计算时间为 12.7 秒。开发的方法是纯分段的，可以从机器学习实施中受益。
利用频域热反射法进行有机薄膜非接触式质量密度和热导率测量
这些材料的厚度[13,14]、孔隙率[15]、多晶性[16]和生长形貌都会影响关键的设计参数，如质量密度（ρ）和热导率（κ）。例如，质量密度是爆炸材料爆轰性能的主要参数，因为它与由此产生的传播速度成正比。[17,18]另一方面，热导率可以为药物成分的无定形稳定性提供关键见解，这最终决定了它们的生物利用度。[3,19,20]对于薄膜热障，质量密度和热导率都起着重要作用，因为它们通常是被动的并受到瞬态热载荷。 [8] 考虑到工程表面的状况、[12] 微观缺陷、[21] 通往非晶态的新途径[20] 和新型沉积技术[22] 预计将共同作用以控制有机薄膜的微观结构，需要对热物理性质进行局部测量，以指导其合成和生长。然而，对有机薄膜而言，质量密度的局部测量是一个巨大的挑战。例如，掠入射 X 射线反射、光谱椭圆偏振术和横截面扫描电子显微镜要么需要超光滑表面[23]、有机物透明的波长[24]，要么需要可能损坏熔点低的样品的离子暴露。[25,26] 另一方面，重量法测量质量和体积会得出整个样本的平均密度，而没有关于微观结构的信息。显然，需要一种能够非破坏性地探测有机薄膜局部质量密度变化的测量技术。频域热反射 (FDTR) 是一种成熟的泵探测测量技术，可用于测定块体和薄膜材料的热性质，探测尺寸与激光光斑尺寸相当（通常约为 10 μ m）。[27–29] 使用 FDTR，可以定期提取材料的热导率和体积热容量 (ρcp)。然后可以使用测得的体积热容量和体积比热容 (cp) 的假设来确定质量密度。为了测量有机薄膜的质量密度，
用于囚禁离子量子系统的集成偏振多样化光栅发射器
离子阱系统具有较长的相干时间和较强的离子间相互作用，可实现高保真度的双量子比特门，是一种很有前途的量子信息处理方式 [1]。目前，大多数实现都由复杂的自由空间光学系统组成，其较大的尺寸以及对振动和漂移的敏感性会限制离子阵列的保真度和可寻址性，从而阻碍向大量量子比特的扩展。最近，基于集成光子学的设备和系统已被证明是解决这些挑战的一种途径 [2,3]。到目前为止，这些先前的集成演示仅限于使用单一线性偏振光（特别是横向电场 (TE)）进行操作，该偏振光名义上与离子阱芯片表面平行。然而，不同的偏振对于实现先进的离子阱系统的许多操作至关重要 [4]，这引起了人们对开发偏振多样化发射器的兴趣 [5,6]。例如，基于集成光子学的架构涉及 TE 和横磁 (TM) 偏振光（如图 1a 中的配置），对于实现先进的离子冷却方案必不可少，这种方案可在几种非简并陷阱振动模式下提供亚多普勒温度，例如偏振梯度冷却和电磁诱导透明冷却 [4]。在本文中，我们设计并通过实验演示了一对集成的 TE 和 TM 发射光栅，工作波长为 422 nm，对应于 88 Sr + 离子的 5 2 S 1/2 到 5 2 P 1/2 跃迁，这是离子控制的关键跃迁。我们实施了一种自定义的优化设计算法，以实现发射单向聚焦光束的双层、切趾和曲面光栅，实验测量的光斑尺寸为 TE 光栅 7.6 μm × 4.3 μm，TM 光栅 5.0 μm × 3.6 μm，目标离子高度距芯片表面 50 μm。据我们所知，这项工作代表了用于捕获离子系统的集成 TM 发射光栅的首次开发，因此，它为基于集成光子学的捕获离子量子系统涉及多个极化的高级操作奠定了基础。
先进技术实验室
能力和设备 • 自动化制造 • 适用于热固性、热塑性、CMC 和干纤维材料系统的自动纤维铺放 (AFP) 和自动带铺设 (ATL)。 • 电冲击系统 1（带激光的 ¼” 和 ½” AFP | 6”、9” 和 12” ATL）– 36' X 轴和 15,000 磅旋转器 • 电冲击系统 2（带可变光斑尺寸激光器的 ¼” 和 ½” AFP）– 72' X 轴、30,000 磅旋转器和双轴旋转器 • 科里奥利系统（¼” AFP）– 26' X 轴 • Mikrosam 双机器人系统（¼” AFP 和 2” ATL）用于免工具制造 – 30' X 轴和纤维缠绕 • 适用于热塑性材料的激光和 Humm3 加热选项 • 用于 AFP 的集成 6 x 20 英尺真空工作台和旋转器 • 带有在线激光检测系统的 Mikrosam 分切复卷机 • 光纤贴片放置 (FPP) –复杂复合材料部件 • KraussMaffei 450 吨旋压成型机，配备双 1400 注射单元和旋转转盘 • 集成聚氨酯 ColorForm 和高压计量系统 • 集成 FiberForm IR 烤箱 • ENGEL V-DUO 1900 美国吨工业压力机，具备热塑性能力 • 集成机器人、(IR) 烤箱、注塑单元和 HP-RTM 系统 • Electroimpact 可扩展机器人增材制造 (SCRAM) • 增材（聚合物和金属）、减材和热塑性 AFP • 5' 直径。垂直旋转器和 5,000 磅水平旋转器（7 英尺直径和 16 英尺构建体积）• 6.5 英尺 x 13 英尺加热构建台和 27 英尺 X 轴 • 带有闭环控制和过程检查的自动热塑性焊接 • 感应、电阻和超声波焊接 • 高压釜 • 13 x 26 英尺，800 华氏度/200 psi 能力 • 集成无线温度传感器和流变仪用于材料状态监控 [可使用 3 x 6 英尺和 6 x 12 英尺 NIAR 高压釜] • 高保真检查 • 双管双探测器 NSI X7000 X 射线 CT 系统 • 微焦点（分辨率高达 5µm）和小焦点 X 射线管；X 射线能量从 10kV 到 450Kv；平板探测器和线性二极管阵列检测技术 • 带负载夹具、引伸计和 DIC 的现场 XCT 扫描 • 能够扫描直径达 60 英寸 x 高 60 英寸的标称扫描范围的大型部件 • ZEISS Xradia 520 Versa 亚微米 3D X 射线 CT 系统 • 160kV 高能微焦点 X 射线源和分期 • 超声波 (MAUS)：脉冲回波测试、MIA 测试、共振测试、音高捕捉、相控阵 • 脉冲热成像 • 剪切干涉 • 声发射（16 通道系统） • GOM 和 Vic 3D 数字图像相关系统（微观 5MP 至 29 MP）