碳纳米点(碳点)是一种新型的纳米发光材料, 具有优异的发光性能、良好的生物相容性、低毒性、水溶性好和表面易功能化等特性, 在光电器件、生物成像、光热治疗等领域展现了潜在应用价值。然而, 合成碳点的前驱体材料多种多样, 合成方法各有不同, 导致其发光机理复杂多样。本文主要针对使用柠檬酸作为碳源、尿素或氨水作为氮源, 采用微波和溶剂热的合成方法制备的氮掺杂碳点, 探索碳点的发光机理和抑制碳点聚集诱导荧光猝灭的方法, 并进一步研究碳点在固态照明、可见光光通讯、生物成像和光热治疗等领域的应用前景。

利用高温固相法制备了BaGd2(MoO4)4∶Tb3+与BaGd2(MoO4)4∶Tb3+,Eu3+荧光粉, 并借助于X射线衍射(XRD)、激发光谱、发射光谱及荧光衰减曲线对样品的结构及发光性能进行了表征。在290 nm激发下, BaGd2(MoO4)4∶Tb3+样品在550 nm处具有较强的绿光发射, 表明该样品可用作绿色荧光粉。Tb3+离子的最佳掺杂浓度为50%, 电偶极间相互作用是引起浓度猝灭效应的主要原因。当在BaGd2(MoO4)4∶Tb3+荧光粉中共掺入Eu3+离子后, 可同时观测到Tb3+与Eu3+离子的特征发射峰。随Eu3+掺杂浓度的升高, Tb3+离子的发光强度逐渐下降, 而Eu3+离子的发光强度逐渐增加。根据BaGd2(MoO4)4∶Tb3+,Eu3+中Tb3+离子的荧光寿命计算了Tb3+与Eu3+离子间的能量传递效率, 并根据荧光寿命与激活离子掺杂浓度的关系证实了能量传递机制为电偶极间相互作用。

利用高温固相法成功制备了Er3 +单掺、Er3 +/Yb3 +共掺杂Ca12Al14O32F2上转换发光样品。在980 nm激光激发下, Er3 +单掺和Er3 +/Yb3 +共掺杂样品均呈现出较强的绿光(528, 549 nm)和较弱的红光(655 nm)发射, 分别归因于Er3 +离子的2H11/2, 4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2能级跃迁。随着Er离子浓度的增加, 单掺杂样品上转换发光强度先增大后减小, 最佳掺杂浓度为0.8%。共掺杂Yb3+后, Er3+的发光强度明显增大。还原气氛下合成的样品上转换发光强度增大约两倍, 可能和笼中阴离子基团变化有关。发光强度和激发光功率的关系表明所得上转换发射为双光子吸收过程, 借助Er3 +-Yb3 +体系能级结构详细讨论了上转换发射的跃迁机制。

采用溶胶-凝胶法合成了Sr3MgSi2O8∶Eu3+红色荧光粉, 并通过X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)以及荧光光谱(PL)、X射线光电子能谱(XPS)等分析方法, 对不同烧结温度(950,1 050,1 150,1 250 ℃)热处理4 h后得到的粉体的物相、形貌及发光性能进行了表征分析。由XRD表征结果可知, 制备出的样品为正交晶系的Sr3MgSi2O8；由扫描电镜及比表面积的测试结果可知, 经过1 150 ℃热处理得到的荧光粉具有最大比表面积, 可达到90.213 1 m2/g, 且粒径大小均一；由红外光谱图可知：样品中含有Si—O—Si、Mg—O和Sr—O化学键；在394 nm的激发波长下, 所有样品在614 nm和702 nm处出现了强发射峰, 分别对应于Eu3+的5D0→7F2和5D0→7F4跃迁, 属红光发射。随着热处理温度的升高, 样品所对应的发射峰强度呈现出先增大后减小的变化趋势, 即出现温度猝灭效应；经1 150 ℃热处理合成的Sr3MgSi2O8∶Eu3+红色荧光粉的发光性能最好, 即最佳的热处理温度为1 150 ℃。

首先采用水热法在FTO衬底上制备出α-GaOOH纳米柱阵列, 再以α-GaOOH纳米柱/FTO结构作为前驱体进行水热反应, 经溶解再结晶过程, α-GaOOH纳米柱可转变为边长约为500 nm的ZnGa2O4纳米立方块。在模拟太阳光源辐照下的一系列光催化实验结果表明：样品对亚甲基蓝具有较强的吸附作用和较高的光催化活性, 对罗丹明B、刚果红的吸附能力和光催化作用都很弱, 对甲基橙只有较弱的光催化作用；H2O2可以作为电子捕捉剂和供氧剂, 促进样品的导带电子参与活性自由基的形成, 使样品对染料表现出持续较高的光催化活性。

以BaCO3、SiO2、Eu2O3为原料在还原气氛下采用高温固相法制备了Ba3SiO5∶Eu荧光粉体。 实验结果表明, 制备Ba3SiO5的最佳工艺条件是Ba/Si比为3, 1 200 ℃保温4 h。光谱分析表明, Ba3SiO5∶Eu荧光粉在254,365,410 nm激发下发射主峰为566 nm(Eu2+的4fn－15d→4fn)宽带发射, 量子效率分别为70%、50%、10%, 荧光寿命为百纳秒级；以566 nm为监视波长测得激发谱为主峰在250~450 nm范围内的宽带发射, 主峰为360 nm, 且在410 nm出现小峰； Eu离子最佳掺杂浓度为5%, 由发光强度随掺杂离子浓度变化曲线, 可以得出Ba3SiO5中Eu离子能量传递是基于电四级-电四级作用。

针对超薄导光板微结构模具难加工的问题, 结合等温热压印法, 提出了一种新型的“等效替代”压印工艺, 即通过控制成型工艺参数来降低微结构复制高度, 实现了在基片上成型出小于模具微结构尺寸的等效结构, 突破了热压印过程中模具微结构完全等大复制的思想禁锢, 降低了微结构模具加工难度, 从而革新了高质量超薄导光板的成型工艺。以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为基片, 设计具体实验, 加工0.25 mm厚的导光板, 验证这一方法的可行性。实验结果表明, 这种新型的“等效替代”压印工艺不仅可以降低模具的制造难度和加工成本, 而且可以大大改善超薄导光板的性能, 与等温热压印工艺相比均匀度提高了23%, 整个成型时间缩短到了20 s。

根据X射线光电子能谱分析和选择性光致发光谱测试结果, 探讨了Bi离子掺杂非晶二氧化硅薄膜的近红外发光来源。我们认为非晶二氧化硅薄膜中Bi离子的近红外发光来源于低价态Bi+离子从轨道3P1层到3P0层的辐射复合跃迁和Bi0从轨道2D3/2层到4S3/2层的辐射复合跃迁。此外, 本文利用限制性晶化原理, 通过在掺Bi二氧化硅薄膜中引入Au离子, 实现了Bi离子相关的近红外发光峰位可调,荧光强度增大了300%。高分辨透射电子显微镜截面图片证实了非晶二氧化硅薄膜厚度约为90 nm以及不同尺寸、数密度Au量子点的形成。变温光致发光谱测试结果表明, 部分Au离子可有效降低Bi离子掺杂非晶二氧化硅薄膜中羟基集团等非辐射复合中心密度。Bi离子掺杂非晶二氧化硅薄膜近红外发光来源的探讨以及通过Au量子点调控Bi离子近红外发光性质的讨论将有助于未来掺Bi发光材料的相关研究。

通过在N型分布布拉格反射镜(DBR)中采用高热导率AlAs材料, 且增加AlAs层所占的厚度比例, 在保持DBR反射率基本不变的情况下, 大幅度增加了N型DBR的热导率, 提高了器件高温工作性能。制作了氧化限制型顶发射VCSEL器件, 不同温度条件下的直流测试结果表明：25 ℃时热反转功率超过8 mW；85 ℃ 时热反转电流为11 mA, 功率达5 mW, 表现出较好的高温工作特性。远场发散角小于17°。0～70 ℃的温度条件下眼图都较清晰, 表明器件满足高温25 Gbit/s工作要求。

为了克服传统氙灯太阳模拟器成本高、寿命短、功耗大等缺点, 提高太阳电池测试的准确性, 本文首先设计了一种基于11种波段的LED太阳模拟器, 在光谱匹配度、不均匀度和不稳定度上均达到IEC60904-9-2007规定的A级标准。在此基础上, 开发了配套的太阳电池测试系统, 经过光源控制、数据处理、温度修正以及参数计算, 得到太阳电池的电特性参数。实验结果表明, 系统可以准确测得单晶硅太阳电池片的各项参数, 且结果稳定, 从而验证了光源的可靠性及测试方法的科学性。

有机异质结连接层因其具有良好的透光性能、制备工艺和有机电致发光器件(Organic light-emitting diodes, OLEDs)完全兼容的优点, 被广泛应用于叠层OLEDs中。在叠层OLEDs中, 连接层可产生电荷, 其工作性能是影响叠层OLEDs性能的关键因素之一。为了获得最佳性能的有机异质结连接层, 本文制备了结构为glass/ITO/tris(8-hydroxyquinoline) aluminum(Alq3)(60 nm)/C60(x nm)/CuPc(y nm)/N,N′-bis(naphthalen-1-yl)-N,N′-bis (phenyl)-be-nzidine(NPB) (40 nm)/Al (100 nm)的有机器件, 直接获得了有机异质结连接层C60/CuPc产生的器件电流。通过结构优化发现, 结构为C60(30 nm)/CuPc(10 nm)的连接层具有最强的电荷产生能力, 并对最优结构连接层形成的物理机制作了合理的解释. 本文获得的结果可为理解有机异质结连接层工作机理以及制备高性能叠层OLEDs提供理论基础。

研究了非共振耗散二能级双原子与双单模腔耦合系统发射光谱的性质。探讨了原子和腔场之间的失谐、腔场衰减率及原子失相对该系统发射光谱的影响。结果表明, 体系的腔场谱呈现出三重峰结构, 原子发射谱呈现出二重峰结构。非共振情况时, 腔场谱和原子发射谱的图像皆为非对称图像。在原子与腔场失谐时, 与共振情况相比, 峰位发生了明显的漂移, 且中峰明显增大。增大腔场与原子的失谐, 会引起边峰向低频段漂移, 并改变其光谱强度；增大原子与腔场的失谐, 可以使光谱整体向低频段漂移, 并改变其所有峰的光谱强度。随着腔场衰减率的增大, 共振情况下, 会导致边峰的强度减小；失谐情况下, 会导致所有峰的强度均减小。随着原子失相的增大, 共振或失谐情况下, 会使光谱所有峰的强度均减小。

沙尘对激光信号的散射和吸收作用会引起激光信号的严重衰减, 本文结合我国沙尘粒子的半径分布特征, 在考虑含水影响的基础上, 研究了沙尘对激光信号衰减特性的影响, 得到了接收端信噪比的表达式；同时针对OOK调制, 推导了沙尘天气下激光通信系统的误码率和信道容量。仿真分析了能见度、传输距离、含水量以及激光波长等因素对误码率和信道容量的影响。结果表明：随着含水量和传输距离的增大以及大气能见度的减小, 系统的误码率会呈现出不断增大的趋势, 而信道容量则呈现减小的趋势。在能见度为4 km的情况下, 波长为1 550 nm、传输距离为1 km时系统的误码率可达10-2数量级, 且归一化信道容量为8.48 bps/Hz。

为了能够有效快捷地实现低浓度对乙酰氨基酚的检测, 本文利用量子点电子转移荧光猝灭的机理, 对量子的的修饰和对乙酰氨基酚的检测方法进行实验研究。首先, 将乙二胺-环糊精成功修饰到Mn-ZnS量子点表面, 增强其荧光稳定性和水溶性, 再利用β-环糊精对对乙酰氨基酚的包合作用, 使对乙酰氨基酚进入β-环糊精的空腔内, 与量子点表面发生电子转移, 进而使荧光猝灭。然后, 基于乙二胺-环糊精修饰的ZnS量子点电子转移荧光猝灭的机理, 建立了一种检测血液中对乙酰氨基酚含量的荧光光谱分析新方法。实验还考察了反应时间与反应温度对对乙酰氨基酚检测的影响。实验结果表明, 在反应时间为35 min、反应温度为40 ℃的条件下, 乙二胺-环糊精修饰ZnS量子点的荧光强度与对乙酰氨基酚的浓度呈良好的负线性关系, 对乙酰氨基酚的浓度范围为1~100 ng/L, 检出限为0.64 ng/L, RSD(%)为1.69%(n=11), 用于血液样品的检测时, 加标回收率为91.06%~103.82%。该方法实现了低浓度对乙酰氨基酚含量的检测, 且操作快速、简便。

因光学特性(吸收系数与散射吸收)与组分比例不呈严格的线性关系, 基于K-M理论的配色模型无法保证比例预测精度, 针对上述问题, 建立了油墨组分比例预测模型与方法。首先利用与组分比例具有强线性相关性的特征波长处的光谱反射率倒数值替换K-M配色理论中的吸收系数与散射系数, 引入非线性项, 构建油墨混合呈色模型；然后在此基础上建立油墨组分比例预测模型。以两组二元基色油墨混合样本为例, 对提出的油墨组分比例预测模型及方法进行验证。实验结果表明, 文中方法可预测获得与真实结果较为接近的组分比例, 两组实验样本的预测平均偏差分别为1.57%和3.6%, 可为目标样油墨组分比例预测提供一种新的方法。

以往对于超短脉冲与二能级原子系统的研究大多基于一些近似方法(慢变包络近似和旋转波近似等), 从而求得解析的近似解。但是, 由于忽略掉一些有用的光场中的信息, 就会造成光场导数项所产生的非线性性质的缺失。本文基于FDTD算法和预测-校正法相结合, 建立了预测-校正FDTD算法, 用于研究超短脉冲与二能级原子系统的相互作用, 以准确地描述光场与原子系统相互作用的特征, 验证了面积定理的部分规律；进一步构建了能够实现完全反转原子系统上下能级粒子的短脉冲。相关研究可为目标的特征分析提供参考。