具有高功率及高亮度激光特性的锥形半导体激光器在激光加工、自由空间通信、医疗等领域具有广泛的应用前景。本文基于广角差分光束传播法(WA-FD-BPM), 对980 nm锥形半导体激光器进行了仿真模拟, 详细分析了不同结构参数(脊形区刻蚀深度、锥形角度、不同脊形区/锥形区长度比、锥形区刻蚀深度、前腔面反射率)对器件光束质量和P-I-V特性的影响。分析认为, 锥形区波导的几何损耗是导致器件斜率效率降低的主要因素, 光泵浦效应是影响锥形激光器光束质量变差的重要因素, 可通过降低器件的前腔面反射率来改善光束质量。研究结果可为锥形激光器的性能优化提供参考。

在有效质量近似下, 通过变分理论计算了应变纤锌矿ZnSnN2/InxGa1-xN柱形量子点的带隙, 进而利用细致平衡理论, 研究了柱形量子点太阳能电池的转换效率在多重激子效应以及内建电场的影响下随量子点半径、高度和In组分的变化关系。结果表明,量子点太阳能电池的转换效率随着量子点半径、高度以及In组分的增加单调增加。多重激子效应能够明显提高太阳能电池的转换效率, 但是内建电场会使得太阳能电池的转换效率明显降低。

通过有限元分析, 利用COMSOL软件模拟计算了Nano-LED 半极性面InGaN/GaN单量子阱距离边缘不同位置的应变和压电极化分布, 并结合模拟得到的量子阱极化电场, 采用Silvaco软件计算得到了Nano-LED InGaN/GaN单量子阱距离边缘不同位置的发光光谱。应变和压电极化分布结果表明, 其在距离半极性面量子阱边缘100 nm的范围内变化明显。然而, 在半极性面内部, 应力释放现象消失, 压电极化电场变强, 量子限制Stark效应导致InGaN/GaN单量子阱发光强度降低。发光光谱分析表明, 60 mA工作电流下, Nano-LEDInGaN/GaN半极性面量子阱边缘位置的光谱峰值最大蓝移达21 nm, 其原因在于边缘的应力释放作用。Nano-LED非极性面和半极性面的整体光谱分析表明, 在固定Nano-LED高度条件下, Nano-LED的直径越大, 半极性面占比越高, 器件整体发光光谱的双峰值现象越明显, 这将为多波长Nano-LED器件的设计提供借鉴。

多单管合束技术是获得高输出功率密度半导体激光器的重要方法, 但其存在封装方式单一、体积大等问题, 难以满足更高功率密度和较好光束质量的需求。本文设计了一种多单管半导体激光器堆叠排布的封装结构, 通过将多个单管半导体激光器垂直封装在辅助热沉之间, 使得器件更加小型化, 在充分利用单管半导体激光器优势的同时, 既增加了单管半导体激光器的散热通道, 又实现了在体积不增加的基础上提高输出功率。通过ZEMAX软件对3个单管进行了空间合束模拟, 将光束耦合进芯径200 μm、数值孔径0.22的光纤中, 可以达到28.6 W的激光输出, 耦合效率为95%。

在二能级系统近似下,对CuInS2/ZnS量子点光纤的发光性质进行理论计算,得到在不同量子点荧光寿命、斯托克斯频移和吸收-发射截面时,量子点发光沿光纤的传输情况。结果表明,当3个参数一定时,量子点光纤的发光强度随着光纤长度的增加而增加,但最后都趋于饱和或有所下降。当光纤长度一定时,荧光寿命、斯托克斯频移和吸收-发射截面每变化原来数值的1倍,光纤发光的相对强度分别改变7.1,10.52和2.8,因此斯托克斯频移对光纤发光强度的影响最大,其次为荧光寿命,影响最小的是吸收-发射截面。但是对光谱峰值位置影响最大的是吸收-发射截面,在 80 cm光纤中,截面每增加1倍,光谱红移5.36 nm。理论计算的发光强度随光纤长度的变化趋势符合文献中的实验数据。本文为量子点光纤中掺杂材料的选择提供了一种实用的方法。

采用粒子群优化算法的结构预测程序CALYPSO结合基于密度泛函理论的VASP软件包对B6C6N6进行结构预测, 得到新的二维BCN结构, 该结构由6个B、6个C、6个N组成类石墨烯六角结构, 其中B—N、B—C—N以及C—C之间形成的六环是稳定BCN结构的关键。凝聚能和声子谱计算结果表明二维BCN在热力学和动力学上均是稳定的。能带结构和电子态密度的计算分析表明BCN是禁带宽度为2.60 eV直接带隙半导体。基于形变势理论, 计算了BCN新结构的载流子迁移率, 发现BCN在“之”字边和“扶手”边方向上的电子迁移率分别为632.5, 923.3 cm2·V-1·s-1, 而空穴在两个方向上的迁移率分别为765.7, 622.6 cm2·V-1·s-1, 迁移率的值明显高于MoS2的载流子迁移率, 相对较高的迁移率说明二维BCN具有较好的输运性质。光学性质的计算研究表明BCN的介电函数虚部峰值同吸收谱和光电导率的实部峰值吻合得很好, 可见光范围内的吸收峰位于光子能量～2.61 eV处, 可见光范围内的吸收主要归因于电子从价带顶到导带底的跃迁。本研究结果为实验上实现原子比为6∶6∶6的BCN的制备以及BCN在光电器件方面的应用提供了重要的理论依据。

结合共振激发和场电离探测技术, 通过总角动量量子数0→1→0→1的激发路径, 研究了第一电离阈附近的Sm原子奇宇称Rydberg态4f66snp(J=1)。首先, 在45 200~45 500 cm-1能量范围内共发现了94个奇宇称Rydberg能级。其次, 通过对有效量子数和Rydberg能级结构特点的分析, 将其中68个能级归属为3个束缚Rydberg系列, 另外26个能级也给出了能级位置。然后, 利用Rydberg-Ritz公式, 对3个Rydberg系列分别进行了拟合, 获得了Sm原子的电离阈为（45 519.61±0.79) cm-1。最后, 采用6种偏振组合激发, 由偏振选择定则, 进一步验证了这些奇宇称Rydberg态总角动量量子数为1。这些结果首次证实了场电离探测技术对Sm原子高激发Rydberg态的适用性, 并且通过对奇宇称Rydberg系列拟合得到的Sm原子电离阈与文献中通过偶宇称Rydberg系列获得的值（45 519.64±1.39) cm-1基本一致。

采用Lee-Low-Pines变换和Pekar类型变分法推导出非对称高斯势施主中心量子点中束缚极化子的基态和激发态能量和波函数, 进而构造了一量子比特所需的二能级结构。基于费米黄金规则和偶级近似研究了束缚极化子基态的衰变。引入了一个用两态极化子基态衰变时间来量化量子点量子比特退相干时间的量度法, 并与极化子激发态衰变时间量化量子点量子比特退相干度量法进行了对照讨论, 揭示了二者的相同物理机理。通过研究电场下材料的介电常数比、电声耦合常数和温度对施主中心量子点中束缚极化子基态寿命的影响, 揭示了材料属性与环境因素对量子点量子比特退相干的影响。