为了改善因为铟锡氧化物(ITO)薄层对紫外光具有高吸收率, 从而导致石墨烯紫外LED低光提取效率(LEE)问题, 采用ITO微纳结构(矩形和三角形)作为石墨烯紫外LED缓冲层的方法, 利用时域有限差分法, 对ITO微纳结构进行优化, 并对石墨烯紫外LED进行了理论分析。结果表明, 当矩形微纳结构厚度为160nm、占空比为0.7、周期为220nm时, 在单层石墨烯下紫外LED的LEE可达10.668%;利用矩形微结构作为插入层相比于利用ITO薄层作为插入层的单层石墨烯紫外LED提高了45.06%; 而当三角微纳结构在最优参量时, 石墨烯紫外LED的LEE仅有6.64%, 明显低于ITO薄层石墨紫外LED。该研究可为后续制备高光功率的紫外LED提供理论基础。

为了提高单晶硅薄膜太阳能电池短路电流密度和转换效率, 采用在单晶硅薄膜太阳能电池正背面分别集成硅介质光栅和铝金属光栅的方法, 并利用有限时域差分法软件仿真研究了两种光栅的周期、厚度、占空比对单晶硅薄膜太阳能电池短路电流密度和光转换效率的影响。结果表明, 通过优化可得当正背面光栅都处于最优值时(介质光栅占空比F=0.8、介质光栅周期P=0.632μm、介质光栅厚度hg=0.42μm; 金属光栅占空比F1=0.9、金属光栅周期P=0.632μm、金属光栅厚度hm=0.005μm),短路电流密度可达35.15mA/cm2, 转换效率为43.35%; 将最优光栅单晶硅薄膜太阳能电池与传统单晶硅薄膜太阳能电池对比, 无论是光程路径还是吸收效率, 光栅单晶硅薄膜太阳能电池都有显著的提高。这为以后制备高性能薄膜太阳能电池提供了理论指导。

为了能够设计出具有反射功能的导模共振光栅, 采用光栅的等效介质理论、平面波导理论以及严格耦合波法, 进行了理论分析和实验验证, 设计了在TE偏振下波长850nm处具有反射共振的导模共振光栅。利用严格耦合波法, 计算并分析了光栅参量、入射角以及波导层厚度对共振波长和线宽的影响。结果表明,随着占空比的增大, 共振波长会红移, 而共振线宽会随着占空比的增大先增后减, 占空比为0.5时线宽能达到最宽;共振波长会随着光栅周期和波导层厚度的增大而增大, 但线宽几乎不变, 当周期从490nm增加到520nm时, 共振波长红移了将近50nm,而当波导层厚度从217nm增加到251nm时, 共振波长红移了将近25nm;光栅厚度变化对共振波长和共振线宽影响很微弱,当入射角是垂直入射时仅有一个共振峰, 但是当入射角不为0°时会出现两个共振峰, 并且两个共振波长随着入射角度的变大一个会蓝移而另一个则红移。该研究为实际制备反射导模共振光栅提供了理论指导。

为了提高发光二极管（LED）的光提取效率, 并比较不同光栅形状对LED光提取效率的影响, 采用严格耦合波法优化了与矩形、等腰三角形、等腰梯形光栅分别集成的倒装LED, 使它们出光面透射率达到最优, 随后使用有限时域差分法模拟计算它们的光提取效率。经过模拟计算和理论分析可得3种不同结构LED最优光栅参量（光栅占空比f、光栅周期p、光栅厚度h）和过渡层厚度d分别是: f=0.35,p=150nm,h=80nm,d=190nm;f=0.45,p=175nm,h=80nm,d=190nm; f=0.7,p=150nm,h=80nm,d=190nm。结果表明, 3种最优的LED结构在波长0.4μm～0.5μm范围内, 矩形光栅倒装LED和等腰三角形光栅倒装LED出光面透射率相同, 等腰梯形光栅倒装LED出光面透射率最低;由于光透射率最低, 导致等腰梯形光栅倒装LED光提取效率较低, 最高仅为58.07%, 但是由于等腰三角形光栅倒装LED特殊的光栅形状加上高的光透射率, 其光提取效率可以达到77.75%。此研究可以为制备高光提取效率LED提供理论方法指导。

为提高发光二极管(LED)的光提取效率，分析了光栅形状(矩形、等腰梯形、等腰三角形)对提取效率的影响；基于等效介质理论和严格耦合波法，优化了集成不同形状光栅的LED。利用有限时域差分法，模拟计算了三种不同最优结构LED的光提取效率。研究结果表明，在0.4~0.5 μm波长范围内，等腰三角形光栅倒装LED的光提取效率均在70%以上，最高可达77.75%，而梯形光栅倒装LED的光提取效率最低，最高仅能达到58%。