周期性亚波长孔阵列的异常透射性质在亚波长光电器件设计中具有重要意义。两层或更多膜层上周期孔阵列结构, 由于层之间电磁场的相互作用可以导致新的光学性质。利用时域有限差分方法理论研究了带有矩形孔阵列的Au-介质-Au多层膜的透射特性。结果表明: 该结构在近红外波段的透射谱存在多个透射峰, 并且透射峰的数量、位置和强度可以通过改变结构的几何参数和介质膜的材料进行调控。详细分析了介质膜的厚度和折射率、孔阵列的周期、矩形孔的边长等因素对多层膜矩形孔阵列透射谱的影响, 为利用多个表面等离子共振设计多波长控制器件提供了一定的参考。

Si薄膜在可见光和近红外波段具有一定的吸收特性, 可用于宽带吸收薄膜的制备。采用离子束溅射技术, 在熔融石英基底上制备了不同沉积工艺参数的Si薄膜, 基于透、反射光谱和椭偏光谱的全光谱数值拟合法, 计算了Si薄膜的光学常数, 并研究了氧气、氮气流量对其光学特性的影响。选择Si和Ta2O5作为高折射率材料、SiO2作为低折射率, 设计了吸收率为2%和10%的宽带(1 000~1 400 nm)吸收薄膜。采用离子束溅射沉积技术, 在熔融石英基底上制备了宽带吸收薄膜, 对于A=2%的宽带吸收光谱, 在1 064、1 200、1 319 nm的吸收率分别为2.12%、2.15%和2.22%; 对于A=10%的宽带吸收光谱, 在1 064、1 200、1 319 nm的吸收率分别为9.71%、8.35%和9.07%。研究结果对于吸收测量仪、光谱测试仪等仪器的定标具有重要的作用。

将In0.53Ga0.47As吸收层设计为多个薄层, 通过不同浓度掺杂实现吸收层杂质指数分布, 建立了InP/In0.53Ga0.47As/InP红外光电阴极模型, 在皮秒级响应时间的前提下模拟了吸收层厚度、掺杂浓度和阴极外置偏压对阴极内量子效率的影响, 给出了光电子在吸收层和发射层的一维连续性方程和边界条件, 计算了光电子克服激活层势垒发射到真空中的几率, 进而获得阴极外量子效率随上述三个因素的变化规律, 结果表明, 吸收层掺杂浓度在1015~1018 cm-3范围内变化时, 内量子效率变化很小; 随着吸收层厚度在0.09~0.81 μm内增大, 内量子效率随之增大; 随着外置偏压升高, 内量子效率先增大后趋于平稳。文中给出一组既能获得高量子效率又能有快时间响应的阴极设计参数, 理论上1.55 μm入射光可以获得8.4%的外量子效率, 此时响应时间为49 ps。

从理论上和数值上研究了一种基于金属-绝缘体-金属波导耦合纳米腔的等离子体三波分复用结构。该结构由三个输出通道组成, 每个通道由两个纳米腔分布于直波导两侧。通过改变环的几何参数、填充介质和内圆和外圆的相对位置, 可以动态地调节每个通道的反射和透射光谱。最后, 根据三个通道的反射和透射特性, 研究了在三个通信波长1 310、1 490和1 550 nm处实现的解复用, 并具有优良的性能。将时域耦合模理论和时域有限差分法(FDTD)结合起来进行仿真和分析, 为芯片集成全光电路的应用提供了可能。

设计了一种新型轨道角动量模传输的圆环形光子晶体光纤, 包层为排列有序的矩形空气孔围绕纤芯呈圆形排列, 纤芯为大的空气孔, 中间环形高折射率区为光子轨道角动量传输区。利用基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件进行仿真分析, 对光子轨道角动量模式在光纤中的传输特性进行了详细讨论。结果表明, 该结构可实现1.2~2.0 μm波段50个轨道角动量模式的有效分离和稳定传输,简并模式的有效折射率差大于10-4, 保证了每个模式的稳定传输; 限制损耗仅为10-9 dB·m-1, 非线性系数低至0.833 km-1·W-1。该光纤可以应用于模分复用系统, 将大大提高通信系统容量和频谱效率。

面向生物医学智能装备和软体机器人等领域柔性机构以及高端装备和重大基础设施复杂结构的曲率测量需求, 提出一种高适应性柔性曲率传感器。通过将光纤布拉格光栅封装在硅胶基体中, 并将硅胶基体与聚氯乙烯薄片贴合, 形成基于光纤布拉格光栅的柔性硅胶曲率传感器。采用光纤传感解调系统和标准曲率标定块, 实验测得光纤光栅传感器反射谱特征及其随标定块曲率变化规律, 分析了光栅波长位移与曲率变化的关系以及传感器灵敏度与嵌入硅胶基体深度的关系。实验结果表明: 硅胶-聚氯乙烯基体的曲率传感器可以实现曲率变化实时测量, 最高灵敏度可达0.329 2 nm/m-1。随着光纤光栅嵌入深度的增加, 传感器灵敏度在0.2~0.35 nm/m-1范围内逐渐增大。在多次重复测量中传感器具有较好的一致性, 可用于柔性机构和复杂结构的曲率测量。

光热疗法由于其安全和高效的优点, 作为一种非破坏性方法在癌症治疗中有广泛的应用前景。光热疗法中, 所采用的纳米颗粒在近红外波段的光热转换效率取决于纳米颗粒的光谱吸收特性。采用时域有限差分法对球型、壳型、杆型、片型、笼型、星型和花型等七种不同金纳米颗粒的光谱吸收特性进行了仿真计算, 结果表明纳米颗粒的几何参数和结构对其光谱吸收效率和共振波长产生了显著的影响。通过对比七种金纳米颗粒的体积吸收系数, 发现金纳米片在近红外波段的光热转换效率优于其他六种金纳米颗粒。从电流密度矢量分布得出, 金纳米颗粒内部产生共振电流是导致金纳米颗粒在近红外波段具有明显的单色吸收特性的原因。

研究了在凝胶注模用超细镁铝尖晶石浆料的制备工艺中, 粉体粒度、pH值、分散剂等对浆料流变性、Zeta电位、粘度和稳定性的影响及作用机理。实验结果表明: 相同剪切速率下, 随着粉体粒径的减小, 浆料粘度变大, 稳定性提高。当浆料中不添加分散剂时, 超细镁铝尖晶石浆料在酸性条件中的Zeta电位绝对值比在碱性条件下高。添加分散剂后, 等电位点对应pH值向酸性方向移动, 且随固相含量的提高, 制备低粘度浆料所需分散剂百分含量越低。pH值和分散剂含量均存在最佳范围, 过高和过低, 浆料的流变性和稳定性均会变差。Zeta电位绝对值的大小仅仅是影响浆料稳定性的一个方面, 如果分散剂过量, 即使浆料颗粒Zeta电位绝对值很大, 浆料也会产生团聚和絮凝。

利用飞秒激光和纳秒激光分别在氧气氛环境和高真空环境中烧蚀石墨靶材, 在硅基底上获得了两种不同的类金刚石膜, 通过红外透过曲线的拟合, 获得了各自的光学参数; 进而设计和制备了不同厚度组合的双层结构类金刚石膜硅基底样品: 飞秒激光在氧气氛环境中制备的类金刚石膜具有低折射率、高透过性的特点, 所以将其作为双层膜的内层, 发挥其红外增透效能; 纳秒激光在高真空环境中制备的类金刚石膜具有高硬度、耐蚀性的特点, 所以将其作为双层膜的外表层, 发挥其抗划、耐蚀的功能。实验测试表明: 随着外表保护层厚度的增加, 样品的中红外平均透过率逐渐下降0.5%~3%, 表面硬度提高7.2~24.7 GPa。碱溶液浸泡试验表明, 外表保护层能够承受碱溶液腐蚀, 但过薄的保护层不能阻止溶液向膜层内部的渗透, 从而使得不具有耐蚀性的红外增透层被腐蚀。研究结果为不同应用目的的双层膜或多层膜结构的设计与制备提供了实验基础。

对于环境检测和高速光通信而言, 高性能紫外光电探测器是关键。利用气相沉积法在无催化剂条件下制备氧化锌纳米线网, 在纳米线网上直接制备光电器件的性能得到了提高。结果显示, 纳米线网光电探测器的光电流为60 ?滋A, 大约是单根纳米线光电器件光电流的15倍。详细讨论纳米线网光电探测器的响应机制发现, 在纳米线网内, 纳米线与纳米线之间的结势垒高度决定了纳米线内部载流子的传输。当紫外光照射纳米线网光电探测器时, 纳米线与纳米线之间结势磊高度的快速变低, 从而提高光电器件的性能。