采用高温固相法制备了不同掺杂浓度的YAG∶1%Ce3+,x%Yb3+ (x=5,10,15,20,25)系列荧光粉。在450 nm蓝光激发下, 测试了样品的发射光谱, 得到了中心波长在550 nm的可见宽带发射(Ce3+: 5d→4f)和1 030 nm的近红外发射(Yb3+: 2F5/2→2F7/2)。可见和近红外发射强度随Yb3+掺杂浓度的变化表明Ce3+到Yb3+存在能量传递过程, 并得到Yb3+的猝灭浓度为15%。在低温条件下(80~300 K)测试YAG∶1%Ce3+,15%Yb3+样品的发射光谱和拉曼光谱, 通过对其量子剪裁发光温度特性的分析, 描述了基质声子在Ce3+到Yb3+的能量传递过程中起到的重要作用。

利用Suzuki偶合反应合成了两种新的蒽衍生物9,10-二(2-联苯基)蒽(BBPA)和9,10-二［2-(α-萘基)苯基］蒽(BNPA), 化合物结构通过核磁、质谱及元素分析进行了表征。量子化学计算结果显示, 这两种化合物都具有非共面的分子结构, 光物理性能主要决定于分子中的蒽结构单元。这两种化合物在二氯甲烷溶液中均可发射高效率的蓝光。BBPA在固态薄膜状态下的发射光谱相对其二氯甲烷溶液的发射光谱明显变宽, 而BNPA的固态薄膜并未发生光谱变宽现象。分别利用化合物BBPA和BNPA作为发光层材料, 制备出了非掺杂的深蓝光电致发光器件。发光层为BBPA的电致发光器件的最大外量子效率和CIE色坐标分别为2.48％和(0.16, 0.09); 基于BNPA的电致发光器件的最大外量子效率为2.68％, CIE色坐标为(0.15, 0.07)。所制备的这两种器件均表现出了较低的开启电压和良好的稳定性。

对Er3+/Tm3+/Yb3+共掺杂BaGa2ZnO5粉末的上转换发光特性进行了研究。首先, 通过不同的制备工艺研究了BaGa2ZnO5粉末的生成条件。XRD分析表明, 由于ZnO的高温分解, 必须密封烧结并增加ZnO用量才能制备出BaGa2ZnO5。其次, 测量了Er3+/Tm3+/Yb3+共掺杂BaGa2ZnO5粉末在980 nm LD激发下的上转换发射光谱, 发现存在8个较强上转换发射峰, 其中480 nm和798 nm对应于Tm3+离子能级跃迁, 其他上转换峰对应于Er3+离子能级跃迁。另外, 测量了980 nm LD不同激发功率对应的上转换发射峰强度, 并根据激发功率-上转换强度曲线拟合得到了各发射峰对应的多光子吸收过程。最后, 根据上转换发射光谱和CIE 1931标准数据计算了样品粉末的色坐标为(x=0.415 1, y=0.479 4), 比较接近白光色坐标, 说明所制备的粉末样品具有产生上转换白光的前景。

采用溶胶-凝胶法在硅片上制备了掺杂稀土离子Tb3+的SiO2薄膜, 并用荧光分析方法研究了薄膜的发光特性, 对发光效果的提升途径做了探索和分析。在245 nm波长的激发下, 能够观察到Tb3+的5D4-7FJ(J=6, 5, 4, 3)的跃迁发射峰。对于Tb3+离子的高浓度掺杂体系, 在掺入富Si或Al3+离子后, 浓度猝灭效应能得到明显改善。同时掺入两种激活剂的样品发光强度较只掺Al3+的样品大了近一倍。此外, 氩气氛退火引入氧空位缺陷也能使样品的发光强度有较大提升, 氩气氛退火的最佳温度为1 200 ℃。

制备了适用于钾钠离子交换波导的Tm3+/Yb3+掺杂铝锗酸盐玻璃, 利用积分球配以光纤光谱仪在975 nm激光泵浦下对玻璃的上转换荧光进行测试, 解析出样品的绝对荧光特征参量。测试与计算结果显示, 在380 ℃的KNO3熔盐中, Tm3+/Yb3+掺杂的铝锗酸盐玻璃的钾钠离子交换有效扩散系数为0.070 μm2/min, 热离子交换过程易于控制。铝锗酸盐玻璃样品中, Tm3+主要发出477 nm蓝光和806 nm近红外光, 其中近红外光为支配性发射。绝对荧光参数和激发功率密度呈正相关, 当功率密度达到1 482 W/cm2时, 三光子上转换蓝光的绝对光谱功率、净发射光子数和量子产率分别为269 μW、6.46×1014/s和1.43×10-4, 双光子近红外光上转换对应的3个参量分别为4 024 μW、1.63×1016/s和3.61×10-3。基于波导适用型铝锗酸盐玻璃中Tm3+上转换荧光的绝对化表征, 为进一步研发光电子器件和激光材料提供了有益的数据参考。

以壳聚糖为原料, 经羧甲基化、纳米化与Ca2+、Zn2+复合制备出纳米羧甲基壳聚糖含钙、锌复合物, 采用红外光谱、X射线衍射光谱、扫描电镜等光学手段对样品进行结构表征, 考察了复合物的凝血、止血性能。结果表明: 纳米羧甲基壳聚糖结构中含有磷酸盐结构, Ca/Zn-纳米羧甲基壳聚糖结构中含有Ca2+与Zn2+, Ca2+和Zn2+与纳米羧甲基壳聚糖成功复合; 复合物的结晶性下降、溶解性提高、形貌均匀圆整, 且凝血、止血时间明显缩短; Ca-纳米羧甲基壳聚糖比Zn-纳米羧甲基壳聚糖结构更稳定, 凝血、止血效果更好。

针对荧光粉层厚度对激光照明的影响展开研究, 采用自行设计的反射式照明模块进行测试, 利用独创的荧光粉层厚度确定方案精确地确定厚度。通过实验分析得出: 随着荧光粉层厚度的增加, 光通量逐渐增大, 在荧光粉层厚度达到600 μm之后呈现下降趋势; 在荧光粉层厚度达到600 μm之前, 蓝光含量呈下降趋势, 600 μm后略有上升, 但整体趋于稳定; 色温与蓝光含量变化趋势相同, 存在正比关系。同时, 本文还验证了光分布密度对激光照明有很大影响。

利用一步酯化法并进一步通过重结晶纯化法成功地合成了含螺吡喃基团的丁二炔衍生物, 并对其进行了1H NMR、质谱、元素分析、DSC、TGA和红外表征。测试结果表明, 样品的熔点为55 ℃, 具有较好的热稳定性, 直到282 ℃才开始分解。接着对样品进行了光学测试, 紫外光谱表明, 经254 nm紫外光照射后, 其最大吸收峰大约位于564 nm。荧光光谱表明, 其最大荧光发射波长位于大约650 nm。化合物膜的耐疲劳测试表明, 样品具有很好的耐疲劳性。

采用低压化学气相沉积(LPCVD)在玻璃衬底上制备了B掺杂ZnO(BZO)薄膜, 研究了氢气气氛退火对BZO薄膜光学性能和电学性能的影响。结果表明: 在氢气气氛下退火后, BZO薄膜的物相结构和透光率基本无变化, 但BZO薄膜的导电能力却明显提高。Hall测试结果表明: 在氢气下退火时载流子浓度基本保持不变, 但迁移率却明显提高。实验结果可为进一步提高BZO薄膜的光学电学综合性能提供借鉴。

针对锥形半导体激光器中的脊形波导区宽度较小的问题, 对半导体激光芯片制造中的刻蚀标记及刻蚀方法进行了研究。提出对于锥形半导体刻蚀中的脊型区域和锥形区域, 采用不同精度的双标记刻蚀方法, 细化对脊形波导和锥形波导的刻蚀中的对准问题, 并使光刻标在不同的光刻版上相错位排列, 在相应光刻版中相互遮挡, 反复刻蚀中保证相应的光刻标清晰、完整。刻蚀后的芯片在电流为7 A时获得了中心波长963 nm、连续功率4.026 W、慢轴方向和快轴方向激光光束参数乘积分别为1.593 mm·mrad和0.668 mm·mrad的激光输出。

为解决紫外光LED固化面光源光斑均匀性差及辐照强度低的问题, 提出一种阵列式紫外光LED固化面光源光学系统的设计方法。基于几何光学及菲涅耳定律等相关理论, 完成近朗伯光型LED透镜自由曲面轮廓线的推导, 结合理论公式计算出透镜阵列排布时透镜之间的最佳间距。结果表明: 透镜有效控制了光线的发散, 提高了阵列面光源所产生光斑的辐照强度及照度均匀度, 使阵列结构更加紧凑。当光源半值角分别为27.5°和15.5°时, 照度均匀度分别为95.3%和98.6%, 辐照强度分别是理想朗伯型光源阵列的2.5倍和6.4倍。进一步分析了工作距离和芯片形状及其尺寸对面光源光学系统的影响, 并通过实验对模拟结果进行验证, 为紫外发光二极管的应用及光学系统设计提供了一定的理论依据。

采用传输矩阵模型研究了基于低维相变薄膜的显示器件的光学特性与器件结构的关系。显示器件的类型有反射型和透射型, 器件结构的关键参数包括Ge2Sb2Te5 (GST)层的厚度、ITO层的厚度、GST层的晶态与非晶态的变化。结果表明: 对于反射型器件, ITO层的厚度对器件的反射光谱影响较大, 可以通过改变ITO层的厚度达到改变器件颜色的效果; GST层的厚度为12 nm时, GST的晶态与非晶态的变化使器件有最好的颜色对比度且消耗较低的电功率。对于透射型器件, 通过使用超薄的GST薄膜, 器件的透明度可以保持很高, 器件的透明度在GST的厚度超过几纳米后迅速下降。

采用射频磁控溅射法溅射SnS2 靶, 在玻璃基片上以不同射频功率和氩气压强制备一系列薄膜样品, 研究了不同工艺条件对薄膜特性的影响。利用X射线衍射(XRD)和拉曼光谱(Raman)对薄膜样品的晶体结构和物相进行表征分析。利用X射线能量色散谱(EDS)、紫外-可见-近红外分光光度计(UV-Vis-NIR)对SnS2薄膜的化学组分、光学特性等进行测试, 计算或分析了SnS2薄膜样品的组分原子比、光学常数和光学带隙。结果表明: 制备SnS2薄膜的最佳工艺条件为射频功率60 W、氩气压强0.5 Pa。在该条件下, 所制备的SnS2薄膜沿(001)晶面择优取向生长, 可见光透过率和折射率较高, 消光系数较小, 直接带隙为2.81 eV。在此基础上, 进一步制备了n-SnS2/p-Si异质结器件。器件具有良好的整流特性及弱光伏特性, 反向光电流随光照强度的增加而增大。器件的光电导机制是由SnS2禁带中陷阱中心的指数分布所控制。

利用深能级瞬态谱(DLTS)研究了气源分子束外延(GSMBE)生长的InP1-xBix材料中深能级中心的性质。在未有意掺杂的InP中测量到一个多数载流子深能级中心E1, E1的能级位置为Ec-0.38 eV, 俘获截面为1.87×10-15 cm2。在未有意掺杂的InP0.9751Bi0.0249中测量到一个少数载流子深能级中心H1, H1的能级位置为Ev+0.31 eV, 俘获截面为2.87×10-17 cm2。深中心E1应该起源于本征反位缺陷PIn, 深中心H1可能来源于形成的Bi 原子对或者更复杂的与Bi相关的团簇。明确这些缺陷的起源对于InPBi材料在器件应用方面具有重要的意义。

为了降低GaN材料中因应变诱导的量子斯托克斯效应, 增加器件有源区内的电子-空穴波函数在实空间的交叠从而提高GaN基LEDs的发光效率, 采用紫外软压印技术制备了均匀的周期性纳米柱阵列结构, 结合常规LED器件微加工技术获得了InGaN/GaN基蓝光与绿光纳米阵列LED器件并对其进行了表征分析。结果表明: 纳米柱阵列LED器件具有均匀的发光和稳定的光电性能。纳米结构不仅有效缓解了量子阱中的应力积累(弛豫度～70%), 提高了器件的辐射复合几率和出光效率, 同时结合纳米柱侧壁的化学钝化处理进一步降低了器件有源区的缺陷密度, 显著降低了LED器件的漏电流(~10-7), 最终提高了器件的发光效率。

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有异质结界面处的高二维电子气(2DEG)浓度、宽禁带、高击穿电压、稳定的化学性质以及高的电子迁移率, 这些特性使它发展起来的传感器件在灵敏度、响应速度、探测面、适应恶劣环境上具备了显著的优点。本文首先围绕GaN基HEMT的基本结构发展起来的两类研究成熟的传感器, 对其结构、工作机理、工作进展以及优缺点进行了探讨与总结; 而后, 着重从改变器件材料及优化栅结构与栅上材料的角度, 阐述了3种GaN基HEMT新型传感器的最新进展, 其中, 从材料体系、关键工艺、探测结构、原理及新机理方面重点介绍了GaN基HEMT光探测器; 最后, 探索了GaN基HEMT传感器件未来的发展方向。

使用一维ZnO纳米线和二维石墨烯复合结构集成到p-GaN表面来同时实现电流扩展和提高LED光提取效率。通过两组有无ZnO纳米线器件的对比, 发现ZnO纳米线使器件的光提取效率提高了30%. 通过分析两组器件的开启电压、工作电压和反向漏电流等关键参数, 验证了本结构应用于GaN LED不会恶化其电性能。本文所采用的复合结构用于GaN LED, 同时达到了良好欧姆接触、避免使用ITO和增强出光的效果。

利用等温滴定量热(ITC)、光谱、粘度测量等方法, 研究了小牛胸腺DNA与抗癌药物达卡巴嗪的相互作用。结果表明: 达卡巴嗪与DNA作用后, 吸收光谱会出现增色、蓝移和粘度减小等现象。采用ITC法得到了结合常数以及结合位点数, 发现达卡巴嗪与DNA以非经典嵌插式及表面作用两种方式结合。对于嵌插式, ΔH1＜0, ΔS1＞0, K1 =5.63×104, 结合位点数0.10; 对于药物分子仅与DNA表面发生作用而并未嵌入到DNA分子的疏水部分的结合方式, ΔH2＞0, ΔS2＞0, K2 =1.00×103, 结合位点数9.99。同时发现紫外法得到的结合常数是Ka =6.70×104, 与ITC的嵌插式吻合。

介绍了测量材料表面双向反射分布函数和发射率的原理和方法, 搭建了532 nm和1 064 nm波长双向反射分布函数和表面发射率测量平台, 对经金刚砂(320目)研磨后金属靶板表面的反射率和发射率及中等温升情况下的变化特性进行了实验测量。测量结果表明, 粗糙金属靶板表面近似为朗伯辐射体, 反射率低于0.25。 在常温至320 ℃范围内, 靶板表面反射分布、反射率和发射率的变化幅度较小。

针对彩色相机三通道响应值重构光谱反射率精度低的问题, 提出了基于光谱连接空间的彩色相机光谱反射率重构方法。首先通过光谱反射率已知的训练样本集和多项式拟合方法建立相机响应值到光谱连接空间的转换矩阵, 然后利用该矩阵将待重构样本的相机响应值映射到光谱连接空间, 最后选用合适的光谱重构算法在光谱连接空间内实现光谱反射率重构, 并利用色度误差和光谱误差两个指标对重构结果进行评价。在上述过程中, 鉴于转换矩阵的重要性, 采用了基于反距离加权的最小二乘法计算转换矩阵以提高相机响应值到光谱连接空间的转换精度。实验结果表明: 本文方法切实可行且精度可靠, 与基于彩色相机三通道响应值的光谱重构方法相比, 色度重构精度和光谱重构精度均显著提高, 平均色差和谱差分别为1.145 2和0.010 3, 可在较大程度上满足数字典藏、高保真颜色复制等的需要。