光催化反应可将太阳能转化为可储存的化学能源, 被认为是缓解能源危机和解决环境问题的有效途径之一。然而, 由于光生载流子低的转移和分离效率, 实际的光化学转换效率提升受到了限制。新兴的S型异质结光催化剂由于其在空间上实现了光生载流子的有效转移分离并展现出强的氧化还原能力, 在太阳燃料制备和环境治理领域受到了广泛关注和研究。本文综述了S型异质结光催化剂的发展历程和设计原理、光生载流子转移机制以及在能源和环境等领域的应用。最后, 提出了S型异质结光催化剂的发展前景和面临的挑战。

分析了向列相液晶中的光致非线性效应。在此基础上, 基于液晶显示器工作原理设计了光控光器件。提出简化模型并利用琼斯矩阵给出光在该模型中的传输理论; 引入斜入射的控制光束代替外加电压来调控液晶盒中分子的排列, 实现对出射信号光的位相和光强的光-光调控; 利用5CB液晶的温度特性分析环境温度对光-光调控的影响。理论分析表明: 出射光位相差随控制光光强的增加而单调递增, 出射光光强随控制光光强的增加而周期性震荡; 当控制光光强在0.5(MW·m-2)到1.1(MW·m-2)变化时, 可以实现对输出信号光强度的线性调控; 当控制光光强取固定值时, 出射光光强随温度的升高而周期性震荡。该发现为实现光控光器件提供可行方案。

为了深入研究Wolter-I型X射线聚焦镜片的光学性能, 掌握聚焦镜的对准和测试方法, 研究单层Wolter-I型X射线聚焦镜片性能。在中国科学院高能物理研究所（IHEP）百米真空X射线标定装置中对单层聚焦镜镜片的离焦、聚焦和离轴工况进行了实验测试。分析了焦距、焦斑分布、角分辨（50%能量所占区域HEW为17″和90%能量所占区域W90为44″）等光学性能参数。将得到的结果与德国马克斯普朗克地外物理研究所（MPE）PANTER X射线标定装置的实验数据对比, 性能参数基本相同, 得到的W90甚至优于MPE。实验结果验证了仿真计算结果, 为进一步开展像质研究提供了依据。通过实验掌握了聚焦镜的对准和测试方法, 未来该方法在X射线天文卫星载荷标定测试中将发挥巨大作用。

针对热效应的非局域程度和分子取向效应的非局域程度不等的情况,利用JUNG P S等提出的模型研究了具有竞争非局域非线性效应的向列相液晶中的亮孤子特性.通过变分法得到光束振幅、宽度、啁啾和位相等参数随传输距离的变化规律,即光束振幅和宽度与入射光的功率息息相关,光束宽度随热非局域程度增加单调递减,随热非线性系数增加单调递增.在此基础上给出和入射光束功率密切相关的势能函数.利用势能函数预言了入射光束功率越大亮孤子宽度越小.通过解变分方程组可得,入射光功率为4或8时,光束宽度均随传输距离周期性震荡.这两个震荡趋势有明显的区别,功率为4时光束传输过程中宽度始终大于或等于初始宽度,功率为8时光束传输过程中宽度始终小于或等于初始宽度.该变化规律与数值仿真结论一致.

由于超短脉冲测量系统中存在透射元件,脉冲经过测量系统时将被展宽,因此测量结果中存在较大的误差。针对脉冲测量中被展宽的问题,设计了一种全反式超短脉冲测量系统,可实现对更短的超短脉冲的测量。所设计的系统利用菲涅耳双面镜产生时间延迟,利用柱面反射镜、薄晶体和光栅产生光谱,避免了系统中色散的产生。在满足采样率的前提下,对频率分辨光学开关(FROG)迹线采样范围进行分析,获得测量系统所需的时间延迟和倍频带宽,并以此为约束条件,推导了待测脉冲的脉冲宽度与菲涅耳双面镜和柱面反射镜参数的关系。

对折射率线性调制晶体中超短脉冲倍频特性进行了数值计算, 在泵浦衰减的情况下, 研究了转换效率和脉冲宽度随匹配带宽和晶体长度的变化.大信号时各频率成份在晶体不同位置的不平衡转换致使脉冲展宽, 且由于折射率的调制, 脉冲宽度和转换效率出现了周期性变化.同时, 分析了谐波脉冲啁啾随晶体长度和带宽的变化, 发现随着晶体长度的增大, 归一化最佳啁啾系数先增大后减小, 在长晶体时趋于1, 其极大值位置决定于本征带宽和调制带宽.讨论了相位失配量对转换效率和脉宽的影响, 结果表明失配因子y决定了中心频率的匹配位置, 当y=0时, 中心频率在晶体中心匹配, 这有利于提高转换效率并减小脉冲宽度.

在分析实际频率分辨光学开关(FROG)迹线噪声来源的基础上, 设计了一种合理的去噪程序; 对含模拟噪声的FROG 迹线分别进行直接重建和去噪后重建, 两者均方值误差相差一个数量级, 证明了该去噪程序的有效性; 搭建了FROG系统, 获得了实际脉冲的FROG迹线, 通过对直接重建和去燥后重建的结果进行对比分析, 发现去噪后重建的脉冲更接近真实的脉冲, 证明了噪声处理的必要性。

针对掺钛蓝宝石固体激光器腔内脉冲压缩的问题，利用光学设计软件设计棱镜对超短脉冲压缩器，对脉冲群延迟色散进行补偿，以此压缩超短脉冲。利用光学设计软件建立棱镜对脉冲压缩器模型，利用计算群延迟色散的宏得出棱镜对群延迟色散与棱镜对间距之间存在线性关系，结合蓝宝石晶体的群延迟色散，优化获得与之匹配的压缩器结构参数。对脉冲中心波长群延迟色散进行补偿的同时，使用色散小的熔融石英玻璃使100 fs脉冲边带波长的群延迟色散减小至10 fs2。运用光学设计软件计算光学系统的群延迟色散具有直观、简单、计算量小的优点。

费米共振现象不仅存在于简单化合物中,复杂的络合物振动光谱中同样存在.简单化合物“加和”形成络合物,分子间某些基团的特性也随之改变,分子光谱就会产生明显的变化.在一定条件下,对苯醌与脯氨酸能够形成电子转移络合物,但其拉曼光谱强度比较小,采用Teflon液芯光纤可以获得高质量的共振拉曼光谱.实验分别获得了对苯醌和其络合物的拉曼光谱图,利用J.F.Bertran量子力学微扰理论,对分子的费米共振特性进行分析.结果表明,络合物的形成使得CO键的费米共振峰向高波数方向移动,拉曼光谱强度比减小,频率间隔增大,耦合系数增大.这种变化的原因解释为,混合溶液中,脯氨酸作为给体,苯醌作为受体,脯氨酸中的N原子上的非成键电子转移到对苯醌的π反键轨道上形成了n—π*电子转移络合物,使分子的振动能级发生了变化.这些分析为研究大分子、络合物以及聚合物的谱线认证、归属提供了新的思路和线索.

针对宽带超短脉冲的倍频,用光学设计软件设计了10 fs、0.8 μm 超短脉冲的倍频系统,该系统包括4个棱镜、2个聚焦透镜.宽带倍频系统要求脉冲中所有的波长成份在非线性晶体中均能实现相位匹配,据此选择操作数建立系统评价函数；以非线性光学倍频中的允许角度评价光学系统的质量；分别对基波和谐波的光路优化设计,获得的棱镜尺寸、棱镜间距和透镜焦距等参数能够使脉冲中的各频率成份以相位匹配方向入射到非线性晶体或无空间啁啾的合束.此外,编写宏对光学系统中群延色散进行控制,使基波在晶体中心无啁啾,以获得最佳倍频效果,谐波光路引入一定的群延色散补偿谐波中的啁啾,消除了谐波中的时间啁啾,获得高质量的谐波脉冲.