为了实现红外波段的双频带完美吸收，采用将不同电子掺杂浓度的单层带状黑磷在同一平面内交错排列的方法，进行了理论分析和仿真模拟，得到了此器件在红外波段的吸收光谱和传感性能。结果表明，此吸收体可以在波长2 μm~5 μm的红外波段范围内实现双频带的完美吸收（吸收率大于99.9%）,此高吸收率是由于入射光波与器件满足了临界耦合条件而形成了共振加强; 在共振波长处，光波被限制在黑磷附近; 此超材料吸收体的双频带特性在其作为传感器使用时具有独特的优势，可以提高传感器的可靠性和准确性; 吸收波峰的偏移量与覆盖在此器件上的未知物质的折射率基本呈线性关系，用此器件测得的未知物质的折射率与实际的折射率的误差在1%以内。该超材料吸收体结构简单，对制作工艺的尺寸精确度要求不高，在红外波段的多频带吸收和传感检测方面将会有广泛的应用。

提出了一种结构简单且可激发环偶极子共振的全介质超材料，该超材料具有高品质因子（Q）和高灵敏（FOM）值。基于环偶极子共振电流密度和电场分布，分析了超材料能够激发环偶极子的内在物理机制。经模拟计算发现，全介质超材料的Q值和FOM值可分别达到14000以上和672.7/RIU左右。基于谐振子耦合模型和共振波长处的电场分布，分析了超材料全介质开口环间距和探测物厚度对其Q值和环偶极子共振波长的影响机理。该研究可以为设计制备应用于生物、化学探测的高质量环偶极子共振超材料传感器提供理论基础。

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。

为了能够更深入地理解等腰三角形亚波长光栅, 采用严格耦合波法对其进行了理论分析和研究, 得到了等腰三角形亚波长光栅数值模拟结果。分析了光栅周期、光入射角对等腰三角形亚波长光栅特性的影响, 并从内在磁场分布角度解释了等腰三角形亚波长光栅所表现出的高反射特性。结果表明, 不同光栅厚度的等腰三角形亚波长光栅会表现出不同的特性, 当光栅厚度在0.54μm~0.57μm之间, 等腰三角形亚波长光栅具有宽反射的反射带宽, 而当光栅厚度在0.58μm~0.66μm之间, 又会表现出导模共振特性。该研究能够为将来制备高性能等腰三角形亚波长光栅提供理论指导。

基于表面等离子体慢光波导原理,利用介质硅(介质层)和金属金(金属层)设计出在整个近红外波段有高吸收效率的超材料吸收器。经过模拟计算发现设计的超材料吸收器在金属层厚度和介质层厚度分别为0.04 μm和0.02 μm时光吸收带宽最大,且波导层宽度和吸收器层数对吸收带宽也有较大影响。在TM偏振态下,光入射角小于40°时,计算得出超材料吸收器在整个近红外波段可以保持90%以上的吸收效率,而且在垂直入射条件下对TE和TM偏振具有相同的吸收效率,这体现了设计的超材料吸收器具有偏振无关的特性。

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。

为了提高倒装发光二极管(LED)光提取效率的同时实现单偏振光输出, 建立了正装、倒装和集成金属亚波长光栅倒装LED 3种模型, 采用RSOFT软件进行仿真对比及器件优化,并进行了理论分析和模拟验证。结果表明, 倒装LED虽然可以提高光提取效率但对P-GaN层厚非常敏感, 无法单偏振光输出; 集成了金属亚波长光栅的倒装LED可以不受P-GaN层厚影响, 实现单偏振光输出, 但要输出稳定偏振光, 受光栅参量和介质过渡层厚度影响非常显著;优化后的结构可以实现57.63%的光提取效率, 偏振消光比达到25.8dB。该研究对制造高性能蓝光LED具有一定的指导作用。