长余辉材料应用广泛，但种类繁多、发光机理难以被普遍阐释。针对发光-余辉性能好的Sr2MgSi2O7:Eu2+,Dy3+硅酸盐长余辉材料，构建Sr2MgSi2O7基质、Eu掺杂及(Eu,Dy)共掺杂Sr2MgSi2O7的分子模型，进行第一性原理计算。从电子结构角度解译电子跃迁俘获路径，并阐释Sr2MgSi2O7:Eu2+,Dy3+的持续发光机理。结果表明：Eu、Dy离子的掺入使Sr2MgSi2O7由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体；Dy 5d态主要位于Fermi能级与Eu 5d态之间，并与Eu 5d态存在能量重叠，这证实了Dy3+作为电子陷阱的合理性。Sr2MgSi2O7:Eu2+,Dy3+发光过程的揭示有助于后续光学性能的调控与提升。

通过等价金属离子同位替换的分子设计策略, 合成了五个含有重质稀土元素的碘酸钠盐NaRE(IO3)4 (RE=Dy, Ho, Er, Yb, Lu), 采用单晶衍射技术测定了它们的晶体结构, 该系列化合物互为异质同构体, 隶属于非中心对称的单斜晶系, Cc空间群。采用紫外-可见吸收光谱、红外光谱、热失重分析、倍频效应测试等手段表征了它们的线性和非线性光学性质及其热稳定性。该系列化合物的二阶非线性光学效应表现出非常明显的差异, 倍频效应在0.1~3.3×KDP之间且能够相位匹配; 它们的光学带隙均大于3.85 eV, 热分解温度达到520 ℃以上。

以二苯醚(DE)为参照物, 借助Gaussian软件的量子化学计算并结合自然键理论与跃迁密度矩阵平面图对9种对位卤代二苯醚的基态分子活性、紫外光谱及基态-激发态电子跃迁机理进行了对比分析。研究结果表明: 处于基态时的DE与4,4′-二氯二苯醚(CDE-15)分别最易发生亲电/核反应, 对位卤代基的引入缩小了DE的能级差。随着取代基体积的增大, 对位取代二苯醚紫外光谱的最大吸收波长变大, 吸收增强。所研究的10种物质有着相似的跃迁机理。

引入正弦平方势, 把掺杂超晶格中电子的运动问题化为带有大参数的Schrodinger方程。利用WKB近似和Langer变换, 找到了系统的本征值和本征函数, 并计算了掺杂超晶格电子的带内跃迁。结果表明, 电子在相邻能级之间的跃迁能量大约在毫电子伏量级, 而相应频率位于太赫兹附近。

测量了未经Cs-Sb激活的Na2KSb膜层和经过Cs-Sb激活的Na2KSb(Cs)膜层的光谱反射率.测量结果表明:两种膜层在200~700 nm波长范围内光谱反射率基本相同，因此可以推断出这两种膜层的折射率也基本相同，说明经过表面Cs-Sb激活的Na2KSb(Cs)膜层内部的成份基本未发生变化，两种膜层的光程差基本相同；推断出Na2KSb膜层表面的Cs-Sb层很薄，其表面激活过程是一种表面效应.对Na2KSb(Cs)多碱阴极膜层进行了XPS能谱分析，测量结果表明Na2KSb(Cs)多碱阴极膜层表面除主要存在Na、K和Sb三种元素之外，还存在C、O以及少量的Cs元素；Na2KSb(Cs)多碱阴极膜层表面存在C和O的原因是在样品解封的过程中受到了污染.对Na2KSb(Cs)多碱阴极膜层表面进行时间为10 s的氩离子刻蚀，再进行XPS分析，结果表明能谱中不再出现Cs原子的谱峰.对Na2KSb(Cs)多碱阴极膜层表面进行总时间为600 s的氩离子刻蚀，XPS能谱中出现了Si原子的谱峰，说明氩离子已经刻蚀到阴极玻璃窗的表面.根据刻蚀时间分析，Na2KSb(Cs)多碱阴极膜层表面存在的Cs原子层的厚度约为3 nm，并且该Cs原子层只是存在于多碱阴极膜层的表面，并未深入到多碱阴极的膜层内部，这也说明Na2KSb膜层的表面Cs激活是一种表面效应.测量了未经过Cs-Sb激活和经过Cs-Sb激活的两种多碱阴极样品的荧光谱，测量结果表明：经Cs-Sb激活的多碱阴极样品与未经过Cs-Sb激活的多碱阴极样品相比，其荧光谱的峰值强度有所增加，而荧光谱的峰值波长却有所减小.说明Na2KSb多碱阴极在Cs-Sb激活之后，跃迁电子的数量有所增加，同时跃迁电子的能级也有所提高，这种现象可以解释为多碱阴极在激活过程中的“体积”效应.所以多碱阴极在表面Cs激活过程中，既有表面效应，又有“体积”效应，而这种“体积”效应是指Na2KSb膜层内部的能带结构变化，并非Cs原子扩散到Na2KSb膜层内部.

测量了未经过 Cs激活、经过 Cs激活以及经过 Cs-Sb激活的三种多碱阴极的光谱响应及荧光谱。测量结果表明, Na2KSb阴极膜层经表面激活之后, 阴极灵敏度和长波截止波长均有所增加, 但荧光谱的峰值波长和峰值荧光强度基本保持不变。长波截止波长的增加说明逸出功降低, 因此多碱阴极 Na2KSb膜层经 Cs激活之后, 阴极灵敏度提高和长波截止波长增加的原因是逸出功的降低。 Na2KSb膜层同时经过 Cs-Sb激活之后, 阴极灵敏度和长波截止波长较仅仅经过 Cs激活的多碱阴极有进一步更大幅度的提高和增加, 但同时荧光谱的峰值波长向短波方向移动, 峰值荧光强度增加。荧光谱的峰值波长向短波方向移动, 说明跃迁电子的能级有所升高, 而荧光谱的峰值强度增加, 意味着跃迁电子的数量增加。多碱阴极 Na2KSb膜层经过 Cs-Sb激活之后, 跃迁电子的数量增加以及跃迁电子的能级升高, 对阴极灵敏度的提高而言, 所取得的作用相同。因此多碱阴极 Na2KSb膜层经过 Cs-Sb激活之后, 阴极灵敏度和长波截止波长提高的原因除了表面逸出功降低之外, 还有跃迁电子数量增加以及跃迁电子能级提高的原因。多碱阴极表面电子逸出机理至今仍未定论, 因此要进一步提高多碱阴极的灵敏度, 需要进一步研究多碱阴极表面激活过程中的客观规律, 为进一步改进多碱阴极的制作工艺, 提高多碱阴极的灵敏度提供理论指导。

测量了三代像增强器和超二代像增强器的阴极光谱反射率, 结果表明在 500～800 nm波长范围内, GaAs阴极的平均光谱反射率仅为 6.5%, 而 Na2KSb阴极的平均光谱反射率却高达 22%。采用减反技术之后, Na2KSb阴极的平均光谱反射率降为 10%, 与 GaAs阴极相比还有一定的差距, 因此还有进一步改进和提高的空间。测量了三代像增强器和超二代像增强器光电阴极的荧光谱, 结果表明在 785 nm波长激光的激发条件下, GaAs阴极的荧光谱峰值波长与 Na2KSb阴极的荧光谱峰值波长基本相同, 但荧光谱半峰宽和峰值强度却区别很大。说明 GaAs阴极和 Na2KSb阴极在吸收 785 nm波长光子后, 所激发的电子跃迁的能级基本相同, 但跃迁电子的数量区别却很大。 GaAs阴极荧光谱的半峰宽较窄, 说明 GaAs阴极的晶格较 Na2KSb阴极的晶格更完整。当 Na2KSb阴极的膜层厚度从 180 nm变为 195 nm之后, 由于跃迁电子距真空界面的距离增大, 因此导致短波的量子效率减小。尽管膜层厚度加厚, 长波光子的吸收更充分, 但因受到电子扩散长度的限制, 长波量子效率仅仅略有增加。这说明 Na2KSb阴极的电子扩散长度远远小于 GaAs阴极的电子扩散长度。GaAs阴极表面吸附 Cs-O层之后, 表面电子亲和势会降低, 而多碱阴极表面吸附 Cs-Sb层之后, 不仅表面电子亲和势会降低, 而且跃迁电子的能级会提高, 跃迁电子的数量也会增加, 这说明多碱阴极在进行表面 Cs激活之后, 阴极膜层内部的能带结构发生了变化。所以要提高多碱阴极的灵敏度, 除了要控制好表面的 Cs激活工艺之外, 还需要控制好 Na2KSb基础层的结构。只有一个结构良好的 Na2KSb基础层, 在 Cs激活之后, 能带结构的变化才会有利于跃迁电子能级的提高。

通过测量超二代像增强器多碱阴极的光谱反射率和透射率，根据能量守恒定律计算得到了多碱阴极的光谱吸收率.结果表明，只有当光子的能量大于1.333 eV以后，多碱阴极的吸收率才开始快速增大.这说明多碱阴极的光谱吸收存在一个1.333 eV的长波吸收限，入射光的光子能量如果小于该吸收限，多碱阴极将不吸收.在多碱阴极的表面电子亲合势进一步降低的情况下，多碱阴极光电发射的长波理论阈值由长波吸收限所决定.多碱阴极在吸收光子之后的电子跃迁过程中，跃迁电子的能量增加小于所吸收入射光子的能量，即存在一个“能量损失”.光子的能量越高，所激发的跃迁电子所处的能级越高，能量损失越大.同时光子的能量越高，跃迁电子所处的能级越高，电子跃迁的几率越低.多碱阴极的量子效率由吸收率、跃迁几率和跃迁能级、扩散过程中的能量损失等因素共同决定，因此多碱阴极的量子效率存在长波阈的同时也存在短波阈.多碱阴极的量子效率在2.11 eV达到最大值之后，随着光子能量的增加而单调减小，在3.6 eV时，量子效率减小到零.多碱阴极在3.6 eV时的吸收系数仍然很高，但由于电子跃迁的几率低，同时电子扩散过程中的能量损失大，导致尽管多碱阴极对短波具有较高的吸收系数，但量子效率仍然较低.因此对多碱阴极所吸收的光子能量中，转换成为光电导、晶格热振动等其他非光电发射形式能量的比例而言，短波较长波高，对光电发射的贡献率而言，短波较长波低.

测量了超二代像增强器多碱阴极的光谱反射率和透射率, 计算了多碱阴极的光谱吸收率。从光谱吸收率看出, 当波长大于 850 nm以后, 多碱阴极的吸收率下降很快, 但当波长大于 915 nm之后, 吸收率的下降变慢, 同时吸收率低于 5%。这说明多碱阴极的 Na2KSb膜层存在一个 915 nm的长波吸收限, 入射光的波长如果大于该吸收限, 多碱阴极将不吸收。多碱阴极在吸收光子之后的电子跃迁过程中, 跃迁电子的能量增加小于所吸收的光子能量, 即存在 “能量损失”。光子的能量越高, 跃迁电子的能级越高, 能量损失越大。超二代像增强器 Na2KSb阴极膜层在 Cs激活之后, 荧光的峰值波长向短波方向移动, 发生 “蓝移”现象, 表明多碱阴极 Na2KSb膜层在进行表面 Cs激活之后, 跃迁电子的能级有所升高。多碱阴极无论是单独采用 Cs激活还是采用 Cs、Sb 同时激活, 光谱响应的长波阈值基本相同, 但光谱响应却不相同, 原因是采用 Cs、Sb同时激活时, Na2KSb阴极膜层存在 “体积”效应。由于 Na2KSb阴极存在长波吸收限, 对应的光子能量为 1.35 eV, 因此如果多碱阴极的逸出功进一步降低并且低于 1.35 eV时, 尽管多碱阴极的光谱响应会进一步提高, 但光谱响应的长波阈并不会向长波方向延伸, 此时多碱阴极光谱响应的长波阈值由其长波吸收限所决定。