硅基光电子技术以光电子与微电子的深度融合为特征, 是后摩尔时代的核心技术。硅基光电子芯片可以利用成熟的微电子平台实现量产, 具有功耗低、集成密度大、传输速率快、可靠性高等优点, 广泛应用于数据中心、通信系统等领域。除硅基激光器外, 硅基光探测器、硅基光调制器等硅基光电子器件技术已经基本成熟, 但作为最有希望实现低成本、大尺寸单片集成的硅基外延激光器仍然面临着诸多挑战。在此背景下, 本文从直接外延无偏角III-V/Si(001)衬底、无偏角硅基激光器材料、外延技术, 以及单片集成等方面探讨了近些年国内外硅基光源的研究进展, 重点介绍了本研究组在硅基外延III-V族量子阱和量子点激光器方面的研究进展, 包括无反相畴GaAs/Si(001)衬底的制备、硅基InGaAs/AlGaAs量子阱激光器材料外延、硅基InAs/GaAs量子点激光器材料外延和新型并联方式共面电极硅基激光器芯片制作等。

采用化学气相沉积(CVD)方法进行碳化硅(4H-SiC)同质外延生长, 生长过程中温场分布是决定外延层质量的关键因素。对CVD系统的温场分布进行了仿真研究, 并采用无偏角4H-SiC衬底进行同质外延生长实验验证。结果表明, 无偏角4H-SiC外延层中的3C-SiC多型体夹杂与生长室温场分布密切相关。实验数据验证了仿真结果, 两者的温度分布具有高度一致性, 这也证明了仿真数据的有效性。

从第一性原理出发，计算了不同温度下GaAs材料中沿{110}、{111}和{112}面传播的反相畴(APD)形成能，探索了反相畴的湮灭机理。结果表明，当温度达到660 K以上时，APD最稳定的传播晶面从{110}转变到{112}。通过分子束外延(MBE)技术，在无偏角Si(001)衬底上生长了1.4 μm厚的GaAs外延层。测试结果表明，随着生长温度的升高，APD密度降低，不同传播面的湮灭现象增加。反相畴在较高的生长温度下更易于扭折到{112}面，从而与其他反相畴相遇并发生湮灭。该结果对全MBE生长高性能无偏角硅基激光器研究具有重要意义。

为了对小尺寸抛物面反射镜进行质量检测, 采用平行光聚焦的方法测量焦距, 旋转被测反射镜的方法测量偏心角, 再结合图像处理的方法测量弥散斑大小, 并提出了一种减小测量误差的方法; 对这些测量方法进行了理论分析和实验验证, 得到了待测反射镜的焦距、偏心角和弥散斑大小。结果表明, 焦距的相对误差在0.1%以内, 偏心角误差在7%以内, 弥散斑大小小于0.2mm, 测量结果可靠。该方案设计为其它小口径的非球面的检测提供了很好的思路, 并且为减小测量误差、提高测量精度提供了很好的研究方法。

铜具有很高的热导率和激光反射率，在铜-钢激光焊接过程中铜侧易出现未熔合和咬边缺陷，针对这一问题，使用4 kW光纤激光器进行两种激光光束偏角下的T2紫铜和SUS304奥氏体不锈钢的激光焊接工艺研究，发现激光光束向钢侧偏转能显著增加铜的熔化量，进而抑制焊缝成形缺陷，促进焊缝组织混合，优化焊缝连接形式，并促使铜侧界面处成分平缓过渡，得到强度稳定的焊接接头。

偏振度的测量对反射辐射强度有一定的要求, 反射辐射强度较低时, 不同材料之间偏振度差别不明显, 且线偏振度受探测角和表面粗糙度影响较大, 以相同探测角探测粗糙度类似的目标时难以对目标从偏振度上区分。通过分析影响电磁波在物质表面反射辐射的振幅与相位因素, 研究了其偏振特性, 提出在线偏振光入射条件下, 通过对反射辐射椭偏角成像, 直接或间接辅助识别伪装目标的方法。建立椭偏角与复折射率、入射角之间的函数模型, 并通过软件仿真验证模型的正确性。文章为基于探测偏振信息进行伪装识别的方法提供一种新思路。

描述了一种应用于微小型光学导引头视场下偏角标定的方法,通过获得导引头绕自身回转轴线转动时拍摄的固定靶标图像计算不同旋转角度时导引头中心视线落点和摄像机坐标系原点在世界坐标系下的坐标,以拟合获得的这2组点的分布建立空间几何关系进而得出下偏角。给出了3组实验数据,分别检验该方法的标定误差、实际所需的采样点数并给出了实际工作中的应用效果。实验表明该方法可以快速标定导引头系统的下偏角,其标定绝对误差小于0.10°。

为了实现滑块内滚道型面精度的快速准确测量,提出一种基于激光三角位移传感器倾斜测量的方法。对该方法的算法进行推理与验证,同时借助高精度圆棒进行实验验证。根据测量系统的特征与滑块内滚道的形状,建立相对应的模型。设计相应的算法,计算滑块内滚道的半径,并对测量过程中的误差来源进行标定补偿。在内滚道轮廓算法的基础上,计算滑块内滚道的轴线相对基准面的位置与平行度。介绍该方案的验证性实验并分析结果。实验结果表明:标准圆棒的测量精度为3.75 μm,标准差在2 μm以内。实验结果满足5 μm的测量精度要求,且该测量方式对标定件与待测件没有位姿要求,具备一定的推广性。

为实现金刚石刀具刀尖圆弧波纹度超精密测量, 构建了基于原子力显微镜(AFM)和精密回转轴系的刀尖圆弧轮廓测量系统, 研究了刀尖圆弧波纹度评价方法和控制测量系统引入误差的策略。提出了评价刀尖圆弧波纹度时截止波长的确定原则和方法, 并介绍了刀尖圆弧波纹度测量原理及评价流程。讨论了精密回转轴系径向回转误差的测量和评定、刀具安装偏心和偏角误差的控制和原子力扫描系统Z向非线性误差的校准方法。最后, 在构建的测量系统上测量了了金刚石刀具刀尖圆弧波纹度并对测量不确定度进行了分析。实验测量显示: 所评价金刚石刀具的刀尖圆弧波纹度为0.106 μm, 测量不确定度为23.8 nm, 表明所构建的测量系统基本满足金刚石刀具刀尖圆弧波纹度纳米级测量及评价的需求, 测量结果稳定可靠、精度高。

用原子力显微镜等方法研究了在InSb(001)衬底和(001)偏(111)B面2°衬底上分子束外延生长的同质外延薄膜和掺Al薄膜样品表面的微观形貌。对比了不同衬底同质外延时生长模式的差异，并观察了加入Al后引入的交叉影线，分析了其产生的原因。研究表明，使用有偏角的衬底更有利于减少分子束外延薄膜的表面缺陷。