近年来，近红外荧光粉转换发光二极管（NIR pc-LED）在夜视、生物成像和无损检测等领域引起了广泛关注。然而，获得兼具高量子效率和优异热稳定性的近红外荧光粉仍然是一个巨大挑战。本文利用高温固相法合成了一种新型近红外荧光粉BaY₂Al₂Ga₂SiO₁₂∶Cr³⁺（BYAGSO∶Cr³⁺），并系统研究了材料的结构和发光性质。在440 nm蓝光激发下，BYAGSO∶Cr³⁺荧光粉的发射光谱在650~850 nm范围内呈现锐线和宽带的混合发射，源于Cr³⁺：²E→⁴A₂自旋禁戒跃迁和⁴T₂→⁴A₂自旋允许跃迁发射。该近红外发光表现出可观的量子效率和良好的热稳定性，最优化样品的外量子效率可达30.3%，在200 ℃时样品的发光强度可保持其在室温时强度的99%。通过将BYAGSO∶Cr³⁺荧光粉与450 nm蓝光LED芯片结合，我们封装了一个NIR pc-LED器件。该器件在300 mA驱动电流下，输出功率为70.83 mW；在20 mA驱动电流下，光电转换效率为11.20%。研究结果表明，BYAGSO∶Cr³⁺在NIR pc-LED领域具有良好的应用前景。

超透镜除了可以实现传统透镜的聚焦和成像功能之外，还可通过对超构单元的设计实现对光场偏振、波长和振幅等的多维度操控，由于体积薄、重量轻、成本低、易集成，其在光电子器件领域中开始崭露头角，已经成为当前的研究热点和重要方向。本文采用时域有限差分算法（Finite?difference time?domain，FDTD）设计并优化了基于InGaAs雪崩探测器原位集成的超透镜，同时估算了超透镜的聚焦效率和透射率。仿真结果表明，超透镜将入射光会聚至探测器的光敏区中，透射率达到82.8%，并且在目标焦距150 μm、超透镜半径50 μm时聚焦效率达到 84.89%。为进一步提高透射率，在超透镜表面增加抗反射层（AR Layer）。结果表明，300 nm的SiO₂层透射率达到最大值86.6%，250 nm的SiN层透射率达到最大值87.6%，透射率比未增加AR层时分别增加了3.8%和4.8%。最后计算得出集成超透镜的探测器吸收区光场能量比未集成超透镜的探测器吸收区光场能量提升了250.96倍，将极大提升探测器的响应度。本文提出了单片集成超透镜的雪崩探测器设计方案，将雪崩探测器光敏区之外的入射光会聚至光敏区，在不损失带宽前提下提升探测器的量子效率，为高响应度、带宽雪崩探测器的设计提供了新思路。

带间级联红外探测器可以利用多级吸收区级联的方式实现高的工作温度，但不同的吸收区厚度设计方式会使得器件在不同级数吸收区中出现光生载流子的不匹配现象，从而对器件量子效率造成影响。为更好地理解带间级联探测器的级数和吸收区厚度对量子效率的影响，对基于InAs/GaSb II类超晶格的带间级联探测器进行了变温测试，并基于多级光电流的“平均效应”建立了工作在反向偏置电压的量子效率计算模型，通过与实际测试的量子效率对比，发现在低温条件下实验数据和计算结果拟合一致性较好，验证了多级带间级联探测器中基于内增益机制的光电流平均效应。但在高温条件下，实际的光电流低于“平均效应”的理论计算结果，这可能是由于高温下少数载流子寿命变短，在吸收区和弛豫区界面处存在光生载流子的复合机制。

氮化镓基Micro-LED具备高亮度、高响应频率、低功耗等优点，是未来显示技术和可见光通信系统的理想选择，但是目前外量子效率（EQE）低下这一问题严重影响其规模化量产及进一步应用。为了突破EQE低下这一瓶颈，通过分析Micro-LED外量子效率的影响因素，得知EQE下降的主要原因包括侧壁缺陷引起的载流子损耗及非辐射复合。总结了侧壁缺陷对载流子输运及复合的影响。综述了目前常用的侧壁处理技术及修复方法，指出现有侧壁处理方法较为笼统、针对性不足且载流子与侧壁缺陷的作用机理并不十分清楚。提出应深入系统地研究侧壁缺陷种类和分布、载流子与侧壁缺陷作用机制及侧壁处理过程中的缺陷修复模式。本文为提高外量子效率、加快Micro-LED商业化量产进程提供设计思路和理论依据。

为了更好地了解这两种结构对光电发射性能的影响，设计和生长了两种结构的光电阴极样品，对其光电发射性能进行比较，并利用薄膜光学的矩阵法推导的光学性能公式以及通过求解一维连续性方程推导的量子效率模型，对比研究了光电阴极发射层、缓冲层厚度变化以及Al_xGa_1-xAs缓冲层中Al组分变化对两种结构光电阴极光学性能和量子效率的影响。这两种结构对光电发射性能的影响机理并不相同，因此作用效果也大不一样。渐变带隙结构的光电阴极通过引入内建电场和减少界面复合从而提升光电发射性能，而DBR结构则通过形成法布里-罗伯共振腔，使得特定波长的入射光在共振腔内来回反射进而被多次吸收，从而加强光电发射。激活实验结果表明，DBR结构样品的发射效率与渐变带隙结构相比具有明显优势，尤其是在755，808和880 nm处有更高的发射效率峰值，可分别提升37.5%，38.9%和47.0%。最后利用模型拟合了量子效率曲线，验证了光学性能参量对复杂结构光电阴极的重要影响及理论模型的合理性。

研究了钛膜的特性及调控机制，通过烘烤后处理工艺分析了临界温度随烘烤时间和烘烤温度的变化关系，发现临界温度随烘烤时间对数降低，但是随烘烤温度指数降低。拓展了二流体模型提取了超导相变边缘单光子探测器的温度灵敏度系数和电流灵敏度系数，并结合脉冲响应得到了器件的热容，进一步理论计算了能量分辨率对器件临界温度的依存性。最终，在器件制备过程中集成光学腔体，在1 550 nm波长的光子吸收效率接近100%。研制的超导相变边缘单光子探测器系统探测效率超过90%，能量分辨率约为0.5 eV，可分辨至少10个1 550 nm光子，满足快速时变天体的观测需求。

传统的红外探测主要基于铟镓砷、锑镉汞等半导体光子型探测器，然而这类探测器在常温下具有灵敏度低和噪声较大的缺点，高灵敏探测还需要深制冷，相对于成熟的硅探测器性能差距非常大。因此，将不易探测的红外波段转迁移至硅探测器的工作波段，并且利用高性能的硅基探测器进行有效探测是一种可行的路径。基于这种思想，目前发展了一种有效的频谱迁移探测方法，即通过非线性和频上转换过程将红外光子的频谱迁移到硅探测器的探测波段，从而实现高效的探测。文中系统介绍了基于频谱迁移红外探测的基本原理、主要参数和最新研究进展，最后对潜在的研究趋势和应用前景进行了展望。