石英增强光声光谱(QEPAS)技术是一种新颖的气体探测技术, 具有体积小、灵敏度高等优点, 是痕量气体检测技术的研究热点。本文对QEPAS技术的基本原理、发展历史及发展现状进行了综述, 并对多种不同结构的QEPAS系统发展情况进行了介绍, 最后对该技术的发展前景进行了展望。

通过高温熔融法和后续热处理制得Tb3+掺杂含SrF2纳米晶的透明硅酸盐微晶玻璃。利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、紫外可见透过光谱、荧光光谱、荧光寿命和X射线激发发光光谱(XEL)探讨了基础玻璃和微晶玻璃的结构和光谱特性。XRD结果表明, 玻璃中析出晶体为SrF2纳米晶, 衍射峰随着热处理温度的升高和时间的延长而逐渐明显, 晶粒也随热处理温度的升高和时间的延长越来越大。在376 nm紫外光和X射线激发下, 与基础玻璃相比, 微晶玻璃发光显著增强, 且发光强度随热处理温度的升高和时间的延长而逐渐增强。

利用飞秒脉冲激光激发Cu掺杂ZnO纳米棒, 研究其特有的非线性光学性质和激发机制。在激发波长为750 nm的荧光光谱中, 二次谐波峰非常弱, 几乎可以忽略, 存在非常强的激子发光峰和Cu掺杂导致缺陷发光峰。激发强度的增大会导致这两个发光峰强度呈非线性增大, 激子发光峰位产生明显红移, 而缺陷发光峰位没有变化。进一步增大激发强度, 缺陷发光峰强度会出现饱和甚至有所下降, 而激子发光峰强度持续增大。当激发波长增加到760 nm时, 从样品的荧光光谱可以清楚地识别到二次谐波峰和激子发光峰以及缺陷发光峰并存。随着激发波长的进一步增加, 二次谐波强度不断增大, 而激子发光峰和缺陷发光峰的强度却随之下降。当激发波长为790 nm和800 nm时, 未发现激子发光峰和缺陷发光峰, 非线性光谱以二次谐波为主导。研究结果表明, 通过选择合适的激发波长和激发强度, 可以实现发光颜色的转变, 使得Cu掺杂ZnO纳米棒在全光显示方面具有潜在的发展前景。

将四苯乙烯基与取代水杨醛通过碳氮双键连接起来, 合成了基于四苯乙烯基的水杨醛缩芳胺希夫碱TPE-SA1、TPE-SA2、TPE-SA3、TPE-SA4、TPE-SA5。利用IR、NMR、MS和元素分析等对其分子结构进行表征, 通过紫外-可见光谱、分子荧光光谱、循环伏安分析法和热重测试分别考察了该类化合物的光学、电化学和热稳定性质。实验结果表明: 该类化合物在纯THF溶液中, 分别在260 nm和370 nm左右处出现B带和R带紫外吸收峰; 在四氢呋喃/水的混合溶液中, 表现出典型的聚集诱导发光(AIE)性能。目标化合物的热分解温度分别为262, 283, 295, 278, 299 ℃, 具有较好的热稳定性。它们的电离势分别为5.31, 5.43, 5.41, 5.30, 5.15 eV, 电子亲合势均大于4.3 eV。

采用两步法成功合成了单一基质双光色Ba10-x(PO4)4(SiO4)2∶xEu2+荧光粉, 研究了稀土离子占据不同的晶格格位对荧光粉光谱特性的影响。结果表明: 两步法合成的荧光粉发射光谱由414 nm的蓝光波带和504 nm绿光波带两种光色组成, 而传统的高温固相法制备的荧光粉只有504 nm处的绿光发射。荧光粉发光性能与Eu2+离子在磷灰石晶体结构中占据的晶格位置关系十分密切。两步法荧光粉双光色的形成主要是由于在第一步氧化气氛合成过程中Eu3+离子取代了基质结构中的BaⅠ和BaⅡ两个格位的Ba2+离子; 在第二步还原过程结束后, Eu2+离子仍然占据着两种格位, 从而形成了两种具有不同配位环境的发光中心。此外, 双发射峰的相对强度能够通过Eu2+离子对BaⅠ格位的取代率而调节, 进而实现光谱的调变。

以紫外臭氧处理超薄Ag复合MoO3或PEDOT∶PSS修饰ITO电极的高效柔性有机太阳能电池。通过优化紫外臭氧处理Ag薄膜的时间, 提高了以P3HT∶PCBM为有源层的器件的功率转换效率, 从1.68%(未经过紫外臭氧处理)提高到2.57%(紫外臭氧处理Ag 1 min)。提高的原因推测是紫外臭氧处理形成了AgOx薄膜, 提高了电荷提取并使器件具有高光学透明度、低串联电阻和优异的表面功函数等一些性能。并且, 紫外臭氧处理Ag薄膜与MoO3或者PEDOT∶PSS复合修饰ITO的器件效率分别得到提高, Ag薄膜与MoO3复合修饰ITO的器件效率从2.02%(PET/ITO/MoO3)提高到2.97%(PET/ITO/AgOx/MoO3), Ag薄膜与PEDOT∶PSS复合修饰ITO的器件效率从2.01%(PET/ITO/PEDOT∶PSS)提高到2.93%(PET/ITO/AgOx/PEDOT∶PSS)。此外, 以PBDTTT-EFT∶PC71BM为有源层的柔性聚合物太阳能电池效率可达6.21%。基于ITO的柔性光电器件效率的提高主要归于ITO被Ag/PEDOT∶PSS 或 Ag/MoO3修饰后功函数的提高。

为了降低单管半导体激光器的结温、提高器件的散热效果, 基于C-mount热沉的热特性分析提出了一种优化的台阶热沉结构, 研究了单管激光器结温和腔面侧向温度分布曲线的影响。在热沉温度298 K和连续输出功率10 W的条件下, 腔长为1.5 mm的典型C-mount封装结构激光器的结温为343.6 K, 热阻为4.6 K/W。通过在典型C-mount热沉中引入台阶结构, 使封装激光器的结温降低为333.8 K, 热阻减小到3.5 K/W。计算表明, 其输出功率可提高近20%。

钙钛矿薄膜形貌的控制是一个提高太阳能电池能量转换效率的关键问题, 而引入添加剂是解决这一问题的一种有效而简便的方法。利用聚丙烯腈(PNA)作为CH3NH3PbI3前驱体溶液溶剂添加剂, 通过其浓度可以调控钙钛矿薄膜结晶和表面的覆盖率。本文通过SEM、XRD以及UV-Vis研究了PNA掺杂CH3NH3PbI3钙钛矿薄膜后的表面形貌、结晶度和光学性能的变化。结果表明, 通过添加少量的PNA可以优化钙钛矿薄膜的性能, 其强烈影响薄膜的结晶过程, 有助于形成均匀连续的薄膜, 减少针孔, 从而增强了钙钛矿层的覆盖率和光吸收。当PNA 的含量为1%(质量分数)时, 钙钛矿太阳能电池的各项性能最佳, 能量转换效率达到了8.38%。与未加PNA 的电池效率(1.31%) 相比, 提高了540%。这些结果表明, PNA可以有效调控钙钛矿薄膜的晶体生长和薄膜形貌, 在钙钛矿太阳能电池的大规模生产过程中是一种可以改善钙钛矿薄膜质量的有效添加剂。

利用脉冲激光沉积(PLD)设备在蓝宝石衬底上制备了高质量Zn1-xMgxO单晶薄膜, 并对其结构和光学特性进行了深入细致的研究。通过能量衍射谱(EDS)确认Zn1-xMgxO薄膜的Mg组分为45％。在Zn0.55Mg0.45O薄膜的X射线衍射谱(XRD)中观测到了明显的位于36.67°的衍射峰, 对应的是(111)晶向的立方相ZnMgO。从透射光谱中可以看出, Zn0.55Mg0.45O具有陡峭的吸收边, 没有发生相分离, 在透射电镜图谱中也得到了证实。该ZnMgO薄膜还表现出了优异的光学特性, 在Zn0.55Mg0.45O材料体系中实现了峰位位于310 nm的紫外光泵浦受激发射, 其激光发射的阈值仅为22 kW/cm2。

采用水热方法在蓝宝石衬底上制备出垂直衬底生长的氧化锌纳米柱阵列。分别通过扫描电镜、X射线衍射和光致发光光谱等表征了氧化锌纳米柱阵列的形貌、结构和光学性质。这种纳米柱在空气中对甲基紫显示出良好的光催化性能。空气中的氧气和水蒸气对光降解性能有重要的影响。这种纳米柱对于固态污染物的光降解处理有着潜在的应用前景, 是一种高效、可循环使用的光催化剂。

为降低氧化锌薄膜晶体管(ZnO TFT)的工作电压, 提高迁移率, 采用磁控溅射法在氧化铟锡(ITO)导电玻璃基底上室温下依次沉积NbLaO栅介质层和ZnO半导体有源层, 制备出ZnO TFT, 对器件的电特性进行了表征。该ZnO TFT呈现出优异的器件性能: 当栅电压为5 V、漏源电压为10 V时, 器件的饱和漏电流高达2.2 mA; 有效场效应饱和迁移率高达107 cm2/(V·s), 是目前所报道的室温下溅射法制备ZnO TFT的最高值, 亚阈值摆幅为0.28 V/decade, 开关电流比大于107。利用原子力显微镜(AFM)对NbLaO和ZnO薄膜的表面形貌进行了分析, 分析了器件的低频噪声特性, 对器件呈现高迁移率、低亚阈值摆幅以及迟滞现象的机理进行了讨论。

使用MOCVD在图形化Si衬底上生长了含V形坑的InGaN/GaN蓝光LED。通过改变生长温度, 生长了禁带宽度稍大的载流子限制阱和禁带宽度稍小的发光阱, 研究了两类量子阱组合对含V形坑InGaN/GaN基蓝光LED效率衰减的影响。使用高分辨率X射线衍射仪和LED电致发光测试系统对LED外延结构和LED光电性能进行了表征。结果表明: 限制阱靠近n层、发光阱靠近p层的新型量子阱结构, 在室温75 A/cm2时的外量子效率相对于其最高点仅衰减12.7% , 明显优于其他量子阱结构的16.3%、16.0%、28.4%效率衰减, 且只有这种结构在低温时(T≤150 K)未出现内量子效率随电流增大而剧烈衰减的现象。结果表明, 合理的量子阱结构设计能够显著提高电子空穴在含V形坑量子阱中的有效交叠, 促进载流子在阱间交互, 提高载流子匹配度, 抑制电子泄漏, 从而减缓效率衰减、提升器件光电性能。

为了降低噪声对InAs/GaSb量子阱作为双色电探测器性能的影响, 设计性能优良的光电探测器, 在InAs/GaSb量子阱中加入AlSb夹层, 以减少电子和空穴在界面处的复合, 从而抑制由于电子和空穴复合引起的噪声。首先应用转移矩阵方法求解薛定谔方程得到量子阱中电子和空穴的能级和波函数, 研究AlSb夹层对电子和空穴波函数的影响。应用平衡方程方法求解外加光场条件下的玻尔兹曼方程, 研究所有电子和空穴跃迁通道对光吸收系数的贡献, 重点研究了AlSb夹层厚度对光吸收系数的影响。结果表明: 基于InAs/GaSb的量子阱体系可以实现双色光吸收, 加入AlSb夹层可以有效抑制电子和空穴在界面处的隧穿, 从而降低复合噪声, 同时AlSb夹层的加入也对吸收峰有影响。AlSb夹层的厚度达到2 nm即可有效降低电子和空穴复合噪声, 双色光吸收峰在中远红外波段, 为该量子阱作为性能良好的中远红外光电探测器提供理论支撑。

利用湿化学法在FTO玻璃基底上制备了高度规整的ZnO纳米棒阵列(ZnO NRAs), 以此为衬底, 采用磁控溅射法在ZnO NRAs表面沉积Cu2O薄膜。分别用X射线衍射仪、X射线光电子能谱、扫描电镜、光致光谱、紫外可见分光光度计和电化学工作站对样品的物相、形貌、吸收光谱、光电性能进行了表征, 用甲基橙(MO)模拟有机物废水研究复合材料的光催化性能。结果表明: ZnO纳米棒为六方纤锌矿结构, 其直径约为80～100 nm, 长约2～3 μm, 棒间距约100～120 nm。立方晶系的Cu2O颗粒直径约为100～300 nm, 形成致密膜层并紧密覆盖在ZnO NRAs表面上, 构成ZnO/Cu2O异质结纳米阵列(ZnO/Cu2O HNRAs)结构。与纯ZnO NRAs和Cu2O相比, ZnO/Cu2O HNRAs在可见光范围内的吸收显著增强, 吸收波长向可见光方向偏移。ZnO/Cu2O HNRAs的载流子传递界面的电荷转移速度快, 有效促进了光生电子和空穴的分离。在紫外-可见光照射65 min后, ZnO/Cu2O HNRAs的降解效率为94%, 分别是纯ZnO NRAs和Cu2O的18倍和1.7倍。

为了描述超高速碰撞2A12铝板产生闪光辐射的空间演化规律, 利用瞬态光纤高温计测量系统并结合二级轻气炮加载系统, 开展了弹丸以30°的入射角度和不同碰撞速度条件下的超高速撞击实验。基于闪光辐射强度和辐射温度的实验数据处理得到了超高速碰撞2A12铝板在撞击点附近产生的最大闪光辐射强度和最大闪光辐射温度, 基于大量实验, 建立了撞击点附近最大闪光辐射的空间演化模型。并结合Origin软件对实验所得数据的拟合, 得到了最大闪光辐射强度和辐射温度随探测点到着靶点间距离变化的拟合函数关系式。实验结果还表明: 在相近碰撞速度、相同碰撞角度条件下, 在同一椭球面上不同探测点位置处的最大闪光辐射强度和最大闪光温度差别不大, 验证了撞击产生的闪光辐射以近似椭球的形状向外膨胀, 随着等离子体云的向外膨胀, 离碰撞点越远产生的最大闪光辐射强度和最大闪光辐射温度均越小; 在相同碰撞角度、不同碰撞速度条件下, 在同一椭球面上不同探测点位置处的最大闪光辐射强度和最大闪光温度均随碰撞速度的增加而增大。该研究在导弹拦截、天体物理及深空探测领域具有重要的应用价值。

为了提高LED植物光源的有效利用率, 基于Taguchi的实验方法对LED植物红蓝光源阵列进行设计和优化。用MATLAB软件编程进行仿真模拟, 通过ANOVA方法分析得出对植物光源照射距离为10 cm处的红蓝光的光子数比值(R/B)分布均匀度影响最大的因子, 并对试验最优结果采用TracePro光学软件进行试验验证, 从而获得本次试验最佳的参数组合。结果表明: 曲率半径为50 mm的凹形曲面底板的圆心加点排布方式, 圆心为LED蓝光芯片, 圆环上为LED红光芯片, 芯片数量分别为6个LED红光芯片和1个LED蓝光芯片, 芯片距离为10 mm的最优化组合是本次试验的最优组合。通过ANOVA方法分析得出, LED红蓝芯片之间的间距对植物光源的R/B的均匀分布影响最大, 占有35.17%的比例, LED红蓝芯片的排布方式也不可忽略, 因为其占有了28.05%的影响比例。

为了实现LED矩形准直光束, 提出一种快速构建高集光效率LED透镜的设计方法。基于分步法、边缘光线定理和几何光学定律, 分步设计两个自由曲面轮廓线, 快速获取两个自由曲面并构建透镜。结果表明: 当LED距透镜内曲面尺寸与LED尺寸的比值为6时, 系统的半峰全宽为2.3°×1.15°, 集光效率为82.6%, 可以有效地实现矩形准直光束。随着比值的增大, 透镜的尺寸变大, 但是半峰全宽变小, 透镜集光效率变高。根据设计参数加工了透镜并对仿真结果进行了实验验证。该方法为实现LED矩形准直光束提供了一种有效途径。

在碳量子点溶液中加入汞离子, 量子点的荧光被猝灭, 加入三聚氰胺后荧光恢复。据此, 建立了基于碳量子点荧光恢复测定三聚氰胺的新方法并应用于实际样品的分析。研究结果表明, 在汞离子和碳量子点浓度之比为15∶10000且碳量子点浓度为4.0 g/L、pH值为7.5的实验条件下, 方法的线性范围为3.0～60.0 mg/L, 检出限(3σ/k)为2.2 mg/L。方法应用于实际样品测定时, 其回收率为95%～103%。

为了实现农产品中农药残留含量快速分析, 根据荧光光谱的基本原理研究了腐霉利的荧光特性, 对腐霉利-蜂蜜混合体系进行了研究, 分析荧光强度与蜂蜜中腐霉利含量之间的关系。采用稳态荧光光谱仪分别检测腐霉利溶液和蜂蜜溶液的荧光光谱, 纯蜂蜜溶液荧光峰在342 nm, 腐霉利溶液的荧光峰在390 nm, 通过逐次向纯蜂蜜溶液中添加0.1 g/dL的腐霉利标准溶液, 发现相对于纯蜂蜜, 荧光峰位置发生红移,说明腐霉利与蜂蜜中某些物质发生了相互作用。采用Origin8.5数据分析软件对蜂蜜的荧光峰值处荧光峰强度与腐霉利含量线性拟合后, 发现蜂蜜溶液中腐霉利的含量与对应的荧光强度有良好的线性关系, 预测函数模型为I=188504.75x+384764.33, 相关系数为0.99。经过相同实验条件下的实验验证, 模型预测准确率在96.8%～100%之间。研究结果表明: 荧光光谱法检测蜂蜜中腐霉利残留含量的方法是行之有效的, 为其他农产品中腐霉利农药残留含量的检测提供了参考依据。

X射线数字化成像系统的不足主要表现在成像末端耦合约束、微焦点约束瓶颈以及单光子成像缺陷与量子噪声约束等方面, 利用传统的数字图像处理手段很难实现有效的图像滤波, 而复杂的滤波算法进一步限制了其工程使用效果。为了提高X射线成像系统的光学传递能力与系统抗噪声能力, 本文首先以热激发X辐射源与X射线像增强器为例, 从系统层面探索成像遇到的诸多技术瓶颈, 并在此基础上提出了一种针对X射线成像的积分滤波方法。然后, 将空间频率固定的铅制光栅作为被测目标, 通过改变中继光学耦合系统的物像关系使得像方空间频率在一定区间内连续改变, 进而通过大量的实验数据实现在不同积分时间条件下的光学传递函数精确拟合。接着, 分别从光学传递函数积分效果与归一化后的基频传递特性的角度验证了该滤波方法可以有效压制热触发源引入的量子噪声, 避免图像产生单光子成像缺陷。实验数据表明: 该方法可以提升系统成像的光学传递能力。最后, 通过帧叠加与积分滤波的对比效果验证了该滤波方法的优越性。