透明半导体铟锡氧化物(ITO)作为电极能够降低光导开关电极边缘电流集聚效应和提高脉冲激光的利用率。本文通过在ITO与GaN界面之间分别插入10 nm的Ti与TiN, 研究Ti、TiN对ITO与GaN欧姆接触性能的影响。I-V测试结果表明, 随着退火温度升高, 插入TiN的光导开关一直保持欧姆接触特性, 而插入Ti的光导开关由欧姆接触转变为肖特基接触。通过TEM测试发现, 当以Ti作为插入层时, ITO通过插入层向插入层与GaN的界面扩散, 在接触界面形成Ti的氧化物及空洞。透射光谱显示, 不同退火温度下插入Ti层的透过率均低于38.3%, 而以TiN作为插入层时透过率为38.8%~55.0%。因此含有TiN的光导开关具有更稳定的电学性能和更高的透过率, 这为GaN光导开关在高温高功率领域的应用提供了参考。

提出了一种基于单模-多模-单模(SMS)光纤干涉结构级联光纤布拉格光栅(FBG)的光纤微结构温度应变双参数测量传感器, 并对其应变特性、温度特性进行了实验研究。通过采用光纤熔接手段将长度为35.5mm的多模光纤熔接在两段单模光纤之间, 构成SMS光纤干涉结构, 并通过级联FBG制成温度应变双参数测量传感器。结果证明, 在200~2000με应变范围内, 单模-多模-单模干涉结构和FBG的应变灵敏度分别为-2.31和1.22pm/με, 线性度分别达到0.9992和0.9994; 在580~700℃温度范围内, 其温度灵敏度分别为58.79和13.64pm/℃, 线性度分别达到0.9967和0.9982, 可实现温度、应变双参数的同时测量。

对GaN单晶力学性能的研究有助于解决其在生长、加工和器件应用中的开裂问题。本文围绕掺杂对GaN单晶力学性能的影响，通过纳米压痕法测试了不同掺杂类型(非掺、Si掺和Fe掺)GaN单晶的弹性模量和硬度，测试结果表明掺杂对GaN单晶的硬度有重要影响。Si掺、Fe掺GaN较非掺样品硬度有所提升，用重掺杂的氨热GaN单晶作为对照，也证明了这一结论。通过高分辨X射线衍射分析和原子力显微镜表征实验发现，晶体结晶质量、接触面积等因素对GaN单晶硬度的影响较小。对GaN表面纳米压痕滑移带长度和晶体晶格常数进行测试，结果表明，掺杂影响GaN单晶硬度的主要原因是缺陷对GaN位错增殖、滑移的阻碍作用和掺杂引起的GaN晶格常数的变化。

本文利用低温光致发光谱(PL)研究了Fe掺杂GaN晶体非极性a面{1120}、m面{1100} 的带边峰和Fe3+相关峰(4T1(G)- 6A1(S))的偏振发光特性。结果表明: a面与m面光学各向异性差别较小,线偏振光的电矢量E平行于c轴［0001］时(E∥c),GaN带边峰强度最小,而Fe3+零声子峰(1.299 eV)强度最强。带边峰线偏振度小,而Fe3+零声子峰线偏振度大,a面带边峰的线偏振度为26％,Fe3+零声子峰的偏振度在a面和m面分别达到55%和58%。在5 K低温下,进一步测量了Fe3+精细峰和声子伴线的偏振特性,结果表明,除了一个微弱的峰外,其他精细峰和声子伴线与Fe3+零声子峰偏振特性一致。本研究有助于拓展Fe掺杂GaN晶体材料在新型偏振光电器件领域的应用。

针对电机内部实时测温的需求, 设计了一种嵌套结构的管式光纤光栅传感器。该传感器使用陶瓷基片作为内层结构, 以304不锈钢管作为保护外层, 采用飞秒激光刻写的纯石英光纤光栅作为测温敏感元件。搭建了恒温油浴光纤传感测试系统, 采用循环升降温的方法对其进行了温度特性研究, 结果表明该传感器测温性能良好, 升降温实验的线性相关系数均为0.9999, 在长期的循环实验中波长重复性为±2pm, 迟滞误差小于5pm, 有较高的可靠性, 可用于电机内部的温度监测。

The limited penetration of photons in biological tissue restricts the deep-tissue detection and imaging application. The micro-scale spatially offset Raman spectroscopy (micro-SORS) with an optical fiber probe, colleting photons from deeper regions by offsetting the position of laser excitation from the collection optics in a range of hundreds of microns, shows great potential to be integrated with endoscopy for inside-body noninvasive detection by circumventing this restriction, particularly with the combination of surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS). However, a detailed tissue penetration study of micro-SORS in combination with SERS is still lacking. Herein, we compared the signal decay of enhanced Raman nanotags through the tissue phantom of agarose gel and the biological tissue of porcine muscle in the near-infrared (NIR) region using a portable Raman spectrometer with a micro-SORS probe (2.1 mm in diameter) and a conventional hand-held probe (9.7mm in diameter). Two kinds of Raman nanotags were prepared from gold nanorods decorated with the nonresonant (4-nitrobenzenethiol) or resonant Raman reporter molecules (IR-780 iodide). The SERS measurements show that the penetration depths of two Raman nanotags are both over 2 cm in agarose gel and 3 mm in porcine muscle. The depth could be improved to over 4 cm in agarose gel and 5mm in porcine tissue when using the micro-SORS system. This demonstrates the superiority of optical-fiber micro-SORS system over the conventional Raman detection for the detection of nanotags in deeper layers in the turbid medium and biological tissue, offering the possibility of combining the micro-SORS technique with SERS for noninvasive in vivo endoscopy-integrated clinical application.

为实现高精度温度传感,设计了一种基于游标效应和铝合金基底增敏的复合结构的光纤温度传感器。该传感器由空芯光纤和单模光纤形成的级联法布里-珀罗干涉仪(FPI)、与级联FPI串联的光纤布拉格光栅(FBG)和铝合金基底构成。利用三光束干涉理论、光束传播法、有限元分析,阐述了其反射光谱、传输光场、热力学等特性。通过控制空芯光纤和单模光纤的几何长度,可灵活地调整游标效应增敏倍数和温度测量分辨率。该复合结构的设计不仅可以测量温度的微小变化量,还可以测量温度的绝对值。实验结果表明,基于游标效应的级联FPI和FBG的温度灵敏度分别为138.4 pm/℃和37.4 pm/℃,传感器的温度重复性和快速响应性良好,可以广泛应用于高精度测量领域。

氮化镓单晶衬底上的同质外延具有显著的优势, 但是二次生长界面上的杂质聚集一直是困扰同质外延广泛应用的难题, 特别是对电子器件会带来沟道效应, 对激光器应用会影响谐振腔中的光场分布。本文通过金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)生长的原位处理, 实现了界面杂质聚集的有效抑制。研究发现, 界面上的主要杂质是C、H、O和Si, 其中C、H、O可以通过原位热清洗去除; 界面Si聚集的问题主要是由衬底外延片保存过程中暴露空气带来的, 其次是氮化镓衬底中Si背底浓度, 在外延过程中, 生长载气对氮化镓单晶衬底不稳定的N面造成刻蚀, 释放的杂质元素会对二次生长界面产生影响, 本文较系统地阐明了界面杂质的形成机制, 并提出了解决方案。

氮化镓(GaN)晶体是制备蓝绿光激光器、射频微波器件以及电力电子等器件的理想衬底材料，在激光显示、5G通讯及智能电网等领域具有广阔的应用前景。目前市场上的氮化镓单晶衬底大部分都是通过氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE)方法生长制备的，在市场需求的推动下，近年来HVPE生长技术获得了快速的发展。本论文综述了近年来HVPE方法生长GaN单晶衬底的主要进展，主要内容包含HVPE生长GaN材料的基本原理、GaN单晶中的掺杂与光电性能调控、GaN单晶中的缺陷及其演变规律和GaN单晶衬底在器件中的应用。最后对HVPE生长方法的发展趋势进行了展望。