分布式布拉格反射镜（DBR）是共振腔发光二极管（RCLED）的主要组成部分，其温度特性对RCLED的性能有着重要影响。基于650 nm红光RCLED，设计出由Al_0.5Ga_0.5As和Al_0.95Ga_0.05As组成的DBR结构。首先通过Al_xGa_1-xAs材料折射率的色散关系分析温度对Al_xGa_1-xAs材料折射率的影响，进而模拟了DBR反射谱的温度特性，得到随着温度升高DBR反射谱红移的结论，温漂速率为0.048982 nm/℃。通过MOCVD制备出30对Al_0.5Ga_0.5As和Al_0.95Ga_0.05As组成的DBR外延结构，并对其进行反射谱测试，发现随着温度升高反射谱出现了红移现象，温漂速率为0.049277 nm/℃，与模拟结果相近，验证了温度升高导致反射谱红移结论的正确性。

Helmholtz共振结构的声屏障在控制道路交通噪声方面具有潜在的应用前景。为有效提高特定频段的噪声控制, 本文设计了一种主腔连接4个副腔的Helmholtz复合共振腔结构。首先, 利用有限元法对共振腔模型进行计算分析, 得出共振腔的禁带结构和声传播损耗曲线; 其次, 利用声-电类比法建立了Helmholtz共振腔的等效电路, 并对带隙的产生机理进行分析; 最后, 讨论了结构参数对Helmholtz共振腔带隙的影响, 并分析这些参数对第一带隙下限的影响机理。结果表明: 声波在Helmholtz共振腔单元间同时存在相互作用和腔内谐振效应, 能在晶格常数为60 mm的情况下获得范围为432.43~663.98 Hz的第一带隙, 比单、双开口圆环带隙起始频率更低, 且大部分频率范围的隔声量达到10 dB以上, 最大隔声量超过90 dB, 表现出良好的中频隔声特性; 等效电路模型与有限元法的计算值的最大误差不超过10%且平均误差低于5%, 建立的等效模型是合理的; 结构参数对于带隙有较大影响, 主要是通过影响共振腔内部气体的体积从而影响带隙。

非对称声分束超表面是由人工微单元结构按照特定序列构建的二维平面结构，可将垂直入射的声波分成两束传播方向和分束比自由调控的透射波，在声功能器件设计及声通信领域具有广泛的应用前景。本文系统研究了一种实现非对称声分束的设计理论和实现方法，基于局域声功率守恒条件研究了声分束器的设计理论、阻抗矩阵分布、法向声强分布、声压场分布等。利用遗传算法对四串联共振腔结构进行参数优化实现了声分束器所需的阻抗矩阵分布，声压场分布表明声波入射到声分束器后在入射侧激发出两列传播方向相反且幅值和衰减系数均相同的表面波，实现了入射侧与透射侧的局域声功率相互匹配。声波经过声分束器后被分为两束透射波，两束透射波的折射角和透射系数与理论值十分吻合，证明了设计理论及实现方法的正确性和可行性。本文的研究工作可以为新型非对称声分束结构设计提供理论参考、设计方法和技术支持，并促进其在工程领域的实际应用。

采用高质量的全固态连续单频1064 nm红外激光器作为泵浦源,以金刚石晶体作为拉曼增益介质,利用腔共振增强技术设计了一种双共振腔,实现了瓦级输出的低泵浦阈值单频1240 nm拉曼激光器。根据金刚石晶体的实际参数,通过优化设计得到了谐振腔对泵浦光的最佳透射率。当透射率为3.5%时,利用H?nsch-Couillaud偏振锁定系统将拉曼谐振腔的腔长精确锁定到泵浦光的共振频率处,实验测量到的拉曼激光器的泵浦阈值功率只有2.73 W。在此基础上,当单频1064 nm泵浦功率增加到9.17 W时,获得了1.48 W稳定单频的1240 nm拉曼激光输出,对应的斜效率为24.9%, 30 min内的功率稳定性优于1.10%(均方根),x,y方向的光束质量M2因子均优于1.2。该双共振腔的设计为降低拉曼过程阈值、获得稳定单频的高功率拉曼激光提供了一种有效的途径。

基于表面等离激元提出一种由半圆环谐振空腔、挡板及直波导构成的金属-介质-金属波导结构。当入射光波进入该波导结构时,半圆环谐振腔形成两个较窄的离散态与金属挡板形成较宽的连续态发生干涉效应,并形成两个尖锐非对称的共振谱,即两种模式的Fano共振。运用耦合模式理论和有限元分析方法对结构的传输谱特性进行数值仿真分析,研究结构参数和介质折射率参数对传输品质因数和敏感度特性的影响。通过对结构参数进行优化分析,发现可通过改变结构参数对系统的性能进行灵活的调节和优化,并得到两个模式下的品质因数分别为3.05×10 5和4.59×10 5,对应的灵敏度分别为800 nm/RIU和1160 nm/RIU(RIU为折射率单元)。这种灵活的双重Fano共振结构在纳米生物传感器、非线性光学和慢光研究中具有一定的应用价值。

以输出波长为1578 nm的分布式反馈半导体激光器作为激发光源,结合波长调制及二次谐波技术对H2S痕量气体进行基于石英增强光声光谱技术(QEPAS)的检测研究。采用有限元分析法对QEPAS中常用的石英音叉进行仿真计算,得到石英音叉的前6阶模态振型与共振频率。实验中,添加了长为4 mm、内径为0.7 mm的声波微共振腔,优化了跨阻放大电路,在最优实验条件下对H2S气体进行检测,检测结果表明,QEPAS系统的二次谐波信号与H2S浓度具有良好的线性关系,获得的探测极限为19.3×10 -6。

金属微纳结构中有关光与原子、分子和量子点等物质的相互的作用研究是微纳光学领域的一个核心科学问题。近年来,得益于迅速发展的纳米材料制备方法和纳米加工技术,国内外学者在表面等离激元受激辐射的实现以及等离激元激光器的研制方面取得了许多重要进展。总结了基于金属微纳结构共振腔的表面等离激元受激辐射的出射方向性研究进展,归纳了可以提高方向性的共振腔结构,分别阐述了其中的物理机制,对于不同共振腔结构的特点与性质进行了分类比较。

一般将电磁波完美吸收体简称为完美吸收体, 它可用于很多行业。用有限时域差分法研究了一种可以在近红外波段工作的完美吸收体。模拟结果表明, 这种完美吸收体可以实现98%的单峰1400 nm左右宽谱吸收, 或者可以实现90%以上的1320 nm和1640 nm波长的双峰吸收效率。通过调节共振腔结构的大小可以调节吸收波长和吸收宽度。电磁波完美吸收体是一种背靠背双共振腔模式的完美吸收体, 有非常广泛的应用前景。

石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术, 具有系统体积小、 价格低廉、 探测灵敏度高等优点。 乙炔(C2H2)是一种化学性质活泼的有毒气体, 对它进行高灵敏度检测在变压器故障诊断、 环境监测等领域有着重要的意义, 基于此, 采用QEPAS技术对C2H2微量气体展开高灵敏度检测研究。 采用输出波长为1.53 μm的连续波分布反馈半导体激光器作为激发光源。 为了提高信噪比和简化数据处理过程, QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。 为了提高QEPAS系统信号幅值, 相比于常见的共振频率为32.768 kHz的石英音叉, 采用了共振频率较低的30.72 kHz石英音叉作为声波传导器, 同时还优化了石英音叉与激光束的空间位置、 激光波长调制深度, 并添加了声波微共振腔, 选择的微共振腔长度为4 mm、 内径为0.5 mm, 最终获得了2.7 ppm的优异检测极限, 归一化噪声等效吸收系数为1.3×10-8 cm-1·W·Hz-1/2。

HCl是一种有毒有害气体, 对其高灵敏度探测具有非常重要的意义, 然而到目前为止, 采用激光光谱的手段对其探测的研究报道很少。 石英增强光声光谱(QEPAS)是近年来发展起来的一种痕量气体探测技术, 具有系统体积小、 价格低廉、 探测灵敏度高等优点。 以5 000 ppm HCl∶N2混合气作为待测目标, 采用输出波长为1 742.38 nm的分布反馈连续波单纵模半导体激光器, 开展对基于QEPAS技术的HCl高灵敏度探测研究。 为了提高信噪比和简化数据处理过程, QEPAS传感器系统采用波长调制和2次谐波探测技术。 研究中, 首先对声波探测系统中微共振腔强声波增强特性进行了讨论, 选择了“共轴”形式的声波微共振腔, 并对其尺寸进行了优化, 选择的微共振管长度为4 mm、 内径为0.5 mm。 实验中研究了激光波长调制深度对QEPAS系统产生的信号幅度的影响, 当QEPAS系统积分时间为1 s、 激光波长调制深度为0.23 cm-1时, 获得了815 ppb的优异检测极限, 归一化噪声等效吸收系数为7.41×10-9 cm-1·W·Hz-1/2。 在后续的实验中, 可在待测HCl气体中加入水汽分子, 提高HCl分子的热弛豫速率, 进一步提高HCl-QEPAS传感器系统的信号强度。