采用电子束光刻技术制备出了深刻蚀的GaAs基微纳光栅。针对电子束曝光过程中存在的由邻近效应引起的光栅结构图形失真和变形的问题，本课题组采用厚度较薄的PMMA A4抗蚀剂和SiO₂薄膜形成多层抗蚀剂来减小邻近效应，同时将SiO₂薄膜作为硬掩模，实现了高深宽比的光栅结构。此外，针对电感耦合等离子体刻蚀过程中光栅结构出现长草的现象，通过增强电感耦合等离子体的物理刻蚀机制，有效消除了结构底部的草状结构。扫描电镜测试结果显示：将100 nm厚SiO₂作为硬掩模，可以实现周期为1.00 μm、占空比为0.45、刻蚀深度为1.02 μm的光栅结构，该光栅结构具有陡直的侧壁形貌以及良好的周期性和均匀性。在该工艺条件下，电感耦合等离子体刻蚀工艺对SiO₂掩模的刻蚀选择比可达26.9∶1。最后，将该结构应用于分布式布拉格反射锥形半导体激光器中，获得了线宽为40 pm的激光输出。这表明，采用电子束光刻技术制备的光栅结构对半导体激光器具有很好的选模特性。

1064 nm半导体激光器在光纤通信系统方面有重大应用,但随着脊波导宽度增加,出现输出模式增加,近场光斑“多瓣”现象,导致其光束质量降低,影响其光纤耦合效率。为此提出一种侧向微结构宽脊波导半导体激光器,根据其腔内各阶侧模光场分布特点,在宽脊两侧引入微结构,以此增大高阶侧模衍射损耗,提高高阶侧模阈值增益,增大基侧模与高阶侧模的阈值增益差,消除近场光斑“多瓣”现象,改善侧向光束质量。在条宽120 μm、腔长1 mm的结构参数下,制作了宽脊波导半导体激光器和具有侧向微结构的激光器件。测试结果表明,在输入电流为0.5 A时,与宽脊波导半导体激光器相比,引入侧向微结构后器件输出功率提升了58.5%,斜率效率提升了80%,电光转换效率提升了55.9%。

开发新型有机红光材料对于制备高性能红光有机电致发光器件具有重要的研究意义。本文采用SUZUKI偶联反应, 以芴酮为受体(A)、3,4,5-三甲氧基苯为给体(D)合成了新型D-π-A-π-D结构的有机红光材料(3MeFO)。通过1H NMR谱、13C NMR谱和X单晶衍射确认了分子结构, 该化合物展示了较强的电荷转移作用和良好的共轭结构, 其晶体的发射峰达到620 nm。从单晶结构中看出甲氧基的引入有利于在分子间形成大量的氢键, 有效地增强了分子间的相互作用。同时, 该材料表现出良好的热稳定性能和电化学性能, 使得其在OLED中展示了良好的电致发光性能。

与传统的法布里-珀罗(F-P)腔半导体激光器相比,采用分布布拉格反射器(DBR)光栅的边发射半导体激光器在窄线宽、输出波长稳定等方面展示出了优异的特性,其在激光通信、光互联及非线性频率转换等领域有着巨大的应用需求。通过合理设计DBR光栅及器件结构,DBR半导体激光器可以实现激光窄线宽、双波长输出以及波长可调谐等性能。基于内置DBR光栅结构,DBR锥形半导体激光器可以同时兼具高功率、窄线宽及高光束质量等特性。针对这几类激光器,阐述了其结构设计、制作工艺及其性能优势,总结了国内外最新研究进展与发展现状,并对DBR半导体激光器的研究工作和发展趋势做出了进一步的讨论和展望。

锥形半导体激光器具有高功率、高光束质量等特点, 因此受到广泛关注并成为研究热点。从3种结构(传统结构、分布式布拉格反射(DBR)结构、侧向光栅条纹结构)的锥形半导体激光器出发, 对国内外近十年具有代表性研究成果进行综述, 介绍其理论研究和实验进展, 并对锥形半导体激光器的未来发展进行展望。

制备了具有高激子利用率的A-π-D-π-A结构的蓝光荧光材料CzPAF-CP, 并通过紫外-可见吸收光谱和荧光光谱以及理论计算等方法对化合物的光物理性质及激发态性质进行了研究。该化合物表现出显著的溶剂化效应, 溶剂化红移高达116 nm。根据Lippert-Mataga关系以及瞬态光谱测试证明CzPAF-CP具有局域电荷转移杂化态, 这一点从理论计算结果也可以得到证明。由于CzPAF-CP具有扭曲A-π-D-π-A结构, 在水含量高达90%的水和四氢呋喃混合溶液中荧光没有被猝灭, 具有聚集诱导发光性质。以CzPAF-CP为发光材料制备的OLED器件发射蓝光, 其电致发光光谱最大发射峰在452 nm, 半峰宽54 nm, 色坐标为(0.150, 0.117)。最大外量子效率达到6.3%, 激子利用率达到71.6%, 超出25%的上限, 这是由于CzPAF-CP局域电荷转移杂化态导致高能级单线态和三线态激子发生反系间窜越导致的。

轨道角动量作为一种新的、安全和高效利用频谱的传输复用方式引起了科学界的关注。基于均匀圆阵列, 设计了一种工作在X波段的宽带多模轨道角动量天线。该天线由旋转排列的三角形均匀圆阵列组成, 其特点是正负模式数的产生除了与馈电方式有关外, 还与均匀圆阵中阵元的旋转方式相关。仿真结果表明, 在X频段该天线-10 dB带宽范围为9.33~10.37 GHz, 带宽达到1.04 GHz, 总的效率为52%; 在相同阵元数量的情况下, 该天线产生的模式数多于矩形贴片天线。该天线具有馈电网络简单、带宽宽和模式数大等优点。

对一种复合外腔半导体激光器的阈值增益进行分析，引入等效反射率建立该复合外腔半导体激光器阈值增益系数和阈值电流密度公式。通过数值模拟分析研究了闪耀光栅一级衍射效率、分光板反射率及谐振腔输出端面反射率对阈值增益系数的影响。最后对该复合外腔结构进行了简要分析，探索了进一步优化的可能性。

分子振动谱广泛应用于化合物分子结构的测定、未知物的鉴定以及混合物成分的分析，是传感识别物质性质和特征的重要指纹。提出了基于石墨烯带阵列的分子振动谱传感模型，并采用数值仿真方法对模型进行了验证。结果表明，通过调节石墨烯带的化学势、阵列周期以及占空比，可以灵活地调控石墨烯带阵列的透射带宽；通过在检测区填充物质，发现透射谱的形状与被检测物的分子吸收谱一致，表明该传感器能够识别物质分子的振动指纹；透射谱的形状对检测区域填充物质的厚度不敏感，传感器的稳健性好。

证明了两块表面具有亚波长凹槽结构的金属板平行放置构成的褶皱金属结构平板波导与等离子体辅助平板波导存在相同点和不同点；并且设计了凹槽深度渐变的对称褶皱金属结构平板波导来实现传输模和表面模的相互转换。研究表明，由于在波导中间区域场分布和能量主要集中在褶皱表面，放入其中的理想导体圆柱不影响其场分布和传输特性，即深度渐变的对称褶皱金属结构平板波导具有隐形效应；褶皱金属结构平板波导阻带上边带截止频率随放入褶皱内样品的介电常数呈线性变化，能够用于介质传感；以柴油、液态石蜡和橄榄油等样品的检测为例，证实了其太赫兹传感特性。该工作对研究褶皱金属结构平板波导的应用，探索其在太赫波的传输、调控以及太赫器件研制等方面具有指导意义。