采用水热法制备了CaGd2-x-y(MoO4)4∶xEu3+,yBi3+(x=0.01～2, y=0～0.04)系列红色荧光粉。分别用XRD、SEM和荧光分光光度计对样品的晶体结构、微观形貌和发光性能进行了研究。结果表明, 样品荧光粉具有体心四方白钨矿结构, 属于I41/a(88)空间群, 15%Eu3+和1%Bi3+(摩尔分数)的相继掺杂对样品基质晶体结构影响不大。样品粉末颗粒呈类八面体状, 粒度比较均一, 分散性良好, 粒径在3～5 μm之间。样品的激发光谱由位于200～350 nm的激发宽带和位于350～550 nm的系列激发峰构成, 最强激发峰位于396 nm。发射主峰位于617 nm, 对应于Eu3+的5D0→7F2特征跃迁发射。研究未发现Eu3+的浓度猝灭现象。Bi3+的掺杂能对Eu3+起敏化作用, 显著提高样品的红光发射和色纯度, 其作用类型为交换交互型, 最佳掺杂量y=0.01。

使用溶胶-凝胶法在不同煅烧温度下制备了不同掺杂的YAG∶Ce, Yb荧光粉。使用扫描电镜、X射线衍射仪对其形貌、结构进行了表征; 采用光致发光、荧光寿命等技术, 对其发光性质进行了研究。结果表明: 粉体粒径随煅烧温度上升而增大, 在1 000 ℃下, 得到平均尺寸~84 nm的纳米荧光粉。溶胶-凝胶法产物与高温固态法产物相比, Yb3+离子发光的猝灭浓度由10%下降至5%。这可能是由于溶胶-凝胶反应产物体系中掺杂离子分布更加均匀所致。

以氯化物为原料通过溶剂热法合成了尺寸均匀的NaYF4∶Yb3+,Tm3+上转换纳米粒子(UCNPs), 利用聚丙烯酸(PAA)取代UCNPs表面的油酸配体, 引入羧基和人IgG的氨基共价结合(H端), 再用蛋白G(protein G)作“桥”将兔抗羊IgG(r-a-g IgG)修饰在硅片表面(R端), 以消除由于硅片“刚性”表面与r-a-g IgG分子直接偶联而导致其结构或构象的变化, 从而实现硅片表面与r-a-g IgG的“柔性”生物偶联。利用抗原抗体的特异性免疫反应, 将H端和R端通过羊抗人IgG(g-a-h IgG)结合, 建立了简单高效和快速灵敏检测溶液中g-a-h IgG的新型免疫分析方法。实验结果表明: g-a-h IgG在5~400 nmol/L浓度范围内与上转换荧光强度具有良好的线性关系, 该传感器检测限为1.82 nmol/L, 并表现出优秀的检测特异性。本项研究为临床各种重大疾病的免疫分析诊断提供了一种宽线性范围和高特异性的新型免疫方法和平台。

采用高温固相法制备了LaCoO3和La0.75Ca0.25Co0.5Fe0.5O3材料, 通过XRD、SEM、XPS和IR等检测手段对材料进行表征分析, 并运用计算机模拟软件CASTEP计算了材料的能带结构和光学性质。基于以上结果研究了钴酸镧系列材料的红外辐射性能, 并分析了提高红外发射率的物理机制。结果表明: Ca-Fe共掺杂后试样的晶体结构由纯物质的菱方结构转变为立方结构, 试样在2.5~5 μm波段的发射率值从0.83提高到0.9, 发射率提高的机理在于: Fe3+  Fe4+和Co2+  Co3+小极化子的形成增强了材料对自由载流子吸收; Co原子的3d轨道与Fe原子的3d轨道杂化在费米能级处形成杂质能级, 促进了受激发电子的跃迁; Ca-Fe掺杂在一定程度上破坏了晶格的对称性, 促进了晶格振动吸收, 提高了材料的红外发射率。钴酸镧体系材料在中红外波段的红外发射性能优异, 可在高温窑炉工业得以应用。

以柠檬酸和谷氨酸为原料、聚乙二醇(PEG)为分散剂, 采用微波法制备掺氮碳量子点(N-CQDs)。研究了不同制备条件对N-CQDs结构和性能的影响, 利用透射电镜、紫外可见吸收光谱、荧光光谱以及红外光谱对制备产物进行表征, 确定了最佳制备条件: 柠檬酸80 mg/mL、谷氨酸16 mg/mL, PEG 80 mg/mL, 微波反应功率800 W, 反应3.5 min。在该条件下制备的N-CQDs具有尺寸均匀、分散性良好及pH敏感性较好的优点; 同时具有激发波长依赖性, 最大激发波长为340 nm, 发射峰为430 nm。此外, 红外光谱研究表明, N-CQDs表面含有丰富的羟基和羰基等官能团, 水溶性和生物相容性好, 在食品快速检测领域具有良好的应用潜力。

采用水热法制备Cu2+离子共掺杂的β-NaYF4∶20%Yb3+, 2%Er3+上转换晶体。通过X射线衍射(XRD)及透射电子显微镜(TEM)数据分析, Cu2+离子的掺杂不影响样品的晶相与形貌。通过荧光光谱观察到, 随着Cu2+离子的掺杂摩尔分数从0增加到40%, 紫外到可见的上转换发光强度先增大再减小。在掺杂5％Cu2+离子时, β-NaYF4∶20%Yb3+, 2%Er3+晶体呈现出最大的上转换发光强度。这是因为低价态的Cu2+离子掺杂导致F-空位的产生, 降低了Er3+离子周围晶体场的对称性, 从而有利于上转换发光的增强。

采用传统的固相法成功合成了一系列α-Ba3Y(BO3)3∶Dy3+荧光粉, 使用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、荧光光谱(FL)和寿命衰减曲线等对样品进行表征。结果表明: 在近紫外/蓝光激发下, 样品的发射光谱主要包含黄(577 nm)、蓝(488 nm)两个发射峰组成, 分别对应电子跃迁4F9/2 →6H13/2和4F9/2→6H15/2。最佳合成温度为1 100 ℃, 该条件下合成的样品具有纯相、最大结晶度和最大发光强度。研究了荧光粉的浓度猝灭效应, 猝灭机理主要是dipole-dipole interaction, 同时exchange interaction无法忽略, 临界摩尔分数为0.07。样品的寿命衰减曲线为二次指数型, 这与Ba3Y(BO3)3特有的晶格结构有直接关系。α-Ba3Y(BO3)3∶Dy3+荧光粉有应用于荧光转换型白光LED照明的潜力。

在红光半导体激光器芯片上采用GaAs介质膜进行无杂质空位扩散诱导量子阱混杂研究。激光器芯片的有源区由一个9 nm厚的GaInP量子阱和两个350 nm厚的AlGaInP量子垒构成, 利用MOCVD方法在芯片表面生长GaAs介质膜。在950 ℃的情况下进行不同时长不同GaAs层厚度的高温快速热退火诱发量子阱混杂。通过光致发光光谱分析样品混杂之后的波长蓝移情况和光谱半峰全宽变化规律。当退火时间达到 120 s时, 样品获得 53.4 nm 的最大波长蓝移; 在1 min退火时间下获得 18 nm 的最小光谱半峰全宽。

为了提高Tb3+离子在硅基薄膜中的吸收截面与光发射效率, 本文通过在硅基薄膜中引入具有更大吸收截面的SnO2纳米晶体, 利用共振能量转移机制, 大幅提高了Tb3+离子的光发射效率。首先, 利用限制性晶化原理, 采用基于旋涂技术的溶胶凝胶法制备了Tb3+离子与SnO2纳米晶体共掺杂非晶SiO2薄膜。然后, 通过选择最佳掺杂浓度的SnO2纳米晶体作为敏化剂, Tb3+离子掺杂SiO2薄膜在541 nm处的特征荧光发射强度增大了2个数量级。荧光激发谱与瞬态荧光寿命谱测试结果表明, Tb3+离子与SnO2纳米晶体之间存在着有效的非辐射复合能量传递过程, 1 000 ℃高温退火后, 部分Tb3+离子进入纳米晶体内部, 导致共振能量转移效率大幅提高。以上研究表明: SnO2纳米晶体是一种潜在的Tb3+离子敏化剂, 可有效提高稀土Tb3+离子掺杂SiO2薄膜的光发射效率。

针对2 750 W直接大功率半导体激光堆栈输出的矩形光斑, 设计了一种长焦距光学系统用于激光材料加工。首先,对整形光路进行了理论分析, 利用倒置开普勒望远系统原理对慢轴光束进行扩束和准直, 再利用聚焦镜实现快慢轴同步聚焦。推导出了快慢轴聚焦光斑大小的公式并计算出焦深理论值, 分析了聚焦光斑大小的影响因素。接着, 用ZEMAX软件模拟了LD stack光源和整个光学系统并进行了光线追迹, 得到了模拟的光束变化形式及聚焦光斑尺寸。最后, 进行相应的实验验证, 实现了1.5 mm×4.0 mm的焦点光斑, 焦距250 mm, 焦深18.6 mm。讨论了整个聚焦光学系统性能的优缺点以及今后的改进方向。这种聚焦方法可以得到长焦距高功率密度聚焦光斑, 满足激光熔覆、表面处理等工艺对光源的要求。

以热传导流入肋片热量与通过空气与肋片间的对流所散出的热量及湿空气凝结所需热量之和相等作为条件, 构建了可以实际反映温室环境影响下的植物生长用LED灯具散热结构的温度分布模型。通过实验结合仿真模拟, 实现对温室环境的物理仿真模型的建立, 并以模型得到了灯具处于最为恶劣的工况下的空气物理参数。结合具体的空气物理参数以及所构建的数学模型, 计算出了悬挂在温室中部2.5 m高度处的150 W植物生长用LED灯具在最为恶劣的工况下的散热结构关键节点的温度数值, 并运用红外热像仪, 对关键温度节点进行了收集。数据表明, 计算值与实验值及仿真值的数值误差均不超过5%, 验证了模型的正确性, 对具体的植物生长用LED灯具的散热结构的设计具有积极的指导作用。

单色红外LED器件的发射功率受传输距离、光源工作电流及工作频率等因素的影响, 各因素均应视为非平稳变化的影响因素。通过实验标定和曲线拟合建立其影响模型, 可以进一步通过生物地理学优化算法进行多参量系统优化, 直接确定最佳参量条件。利用生物地理学优化算法是一种全局性优化算法, 极适合综合处理不同物理机制的各种外界因素变化对单色红外LED器件的发射功率的影响。该方法可以解决纸张水分测量技术的瓶颈问题, 提高其测量精度。

为了在现有研究基础上使LED阵列光源的照度均匀度进一步提高, 提出了一种新的LED阵列优化途径。根据Ivan Moreno提出的二维LED阵列优化设计方法, 本文设计了以两种不同方式分布排列的二维优化LED阵列。利用果蝇优化算法对二维优化LED阵列芯片的位置参数进行进一步优化, 实现 LED阵列位置参数的三维空间的优化设计, 使LED阵列光源的照度均匀度更优。使用TracePro对LED阵列的三维优化结果进行验证。研究结果表明, 基于果蝇优化算法, 经三维优化后的圆形LED阵列的照度均匀度可达到96.0%, 相较于二维优化后的圆形LED阵列提高了25.3%; 经三维优化后的正方形LED阵列的照度均匀度可达到97.4%, 相较于二维优化后的正方形LED阵列提高了7.7%。该优化方法被证明是可行的, 相较于传统优化方法, 该方法节约了大量人力物力成本。

研究了基于供体-受体共轭聚合物双(2-氧代二氢吲哚-3-亚基)-苯并二呋喃-二酮和联噻吩(PBIBDF-BT)薄膜晶体管的氧传感特性。在不同的氧气浓度下, 器件展示了空穴和电子载流子的传感特性, 如源漏电流、迁移率和亚阈值摆幅随着氧从半导体层内吸附/解吸附的过程中被调节。实验结果表明: 随着真空度从0.7 Pa上升到0.08 Pa, 即氧气的体积分数从~5.3×10-6降到~6×10-7, 对于P型传输的迁移率、源漏电流(开态)和亚阈值摆幅分别改变了-52.7%、-51.3%和48%, 而对于N型传输分别改变了42.3%、59.5%和-39%。并且腔室中氧气的浓度从~8×10-7降到~6×10-7,变化了~2×10-7, 相应的P型和N型源漏电流分别变化了-45.9%和31.1%。基于PBIBDF-BT聚合物薄膜晶体管能够实现对氧气的双极性检测和低的氧检测线。

为提高InSb红外探测器室温下的工作性能, 设计了GaSb/InSb/InP异质结构, 并对结构中俄歇复合与肖克莱-瑞德复合两种复合机制对漏电流的影响进行研究。利用TCAD仿真工具对InSb探测器件进行建模, 分析得到能带结构与载流子分布。以能带参数为基础, 根据连续性方程, 结合漂移扩散模型, 分析了俄歇复合在反偏压下的衰减效应, 并综合肖克莱-瑞德复合的影响, 计算出不同缺陷浓度下器件的漏电流。利用低压金属有机化学气相沉积(LP-MOCVD)技术制备GaSb/InSb/InP异质外延样品, 对其漏电流进行测试, 并与仿真结果进行对比分析。实验结果表明, 计算结果与实验结果一致, 器件工作性能的主要限制为肖克莱-瑞德复合机制, 器件的漏电流为0.26 A·cm-2, 品质因子R0A为0.1 Ω·cm2。相比于同质InSb结构, 器件的R0A提高了一个数量级, 已接近实用化水平。

为了钝化钙钛矿表面的缺陷、改善PCBM溶液的粘度和成膜性以达到优化器件性能的目的, 通过引入非富勒烯小分子(ITIC)和富电子聚合物(PVK)共掺杂修饰PCBM薄膜。结果表明: 通过调节ITIC的含量可以优化界面形貌, 提高器件的性能。当ITIC的质量分数为6%时, 获得了最优的器件性能。相比于纯PCBM的器件效率由5.26%提高到9.93%, 器件没有回滞现象。ITIC和PVK的引入提高了PCBM的成膜性能。此外, 还可以钝化钙钛矿表面的缺陷。这种协同作用有利于电荷传输和分离。综上所述, PVK和ITIC的加入抑制了大气中的水分和氧气, 提高了器件的稳定性。

为了得出光子晶体缺陷透射峰位置与溶液折射率及溶液浓度的关系, 从而得知溶液的折射率和溶度之间的关系。本文构造了(AB)NC(AB)N型的一维光子晶体模型, 采用时域有限差分法对该一维光子晶体的透射光谱做了数值模拟和分析。结果表明, 蔗糖溶液折射率和浓度与光子晶体透过峰位置之间为严格的线性关系, 光子晶体缺陷模透射峰位置随溶液浓度百分比的改变而变化。该溶液测量方法的溶液折射率测量灵敏度高达498.087 nm/RIU。 这为光子晶体溶液折射率及浓度测量传感器的设计制作提供了参考, 有助于该溶液浓度检测传感器在实际应用中的推广。

以5-氨基异酞酸为初始原料, 通过酯化、肼解和席夫碱等反应合成了双三齿配体LD, 并通过与锌离子(Zn2+)自组装构筑了金属(锌)-有机大环化合物LD-Zn, 利用紫外-可见光谱、核磁、电喷雾质谱等表征手段研究了LD-Zn对氨基葡萄糖的识别作用。核磁光谱和电喷雾质谱测试表明, 氨基葡萄糖分子能够进入到大环LD-Zn内部, 并且LD-Zn以1∶1的比例包合了氨基葡萄糖分子。紫外-可见光谱表明, 当向LD-Zn中加入氨基葡萄糖后, 373 nm处的吸收峰强度增加, 269 nm和303 nm处的吸收峰强度降低, 平衡常数K达到4.19×103 L/mol, 最低检测限为5.0×10-6 mol/L。通过对比测试发现, LD-Zn只对氨基葡萄糖有紫外光谱响应, 而对葡萄糖和三乙胺无任何响应, 说明氨基葡萄糖的结构与大环化合物LD-Zn的空腔更匹配, LD-Zn对氨基葡萄糖的识别不是单纯羟基(氢键)或者氨基(碱性)引起的, 而是由LD-Zn限域的空腔效应和氨基的氢键协同作用实现了对氨基葡萄糖的识别。

针对某Ф2 020 mm主反射镜, 为了保证空间红外相机主反射镜具有良好的面形精度及较高的一阶固有频率, 对其支撑结构进行了针对性研究。根据反射镜的尺寸形状和面形精度要求, 确定了反射镜的背部支撑方案。设计了采用两种柔性方式串联的柔性结构用于主反射镜的支撑, 并确定了柔性环节的应力最大位置。采用有限元方法对反射镜组件在力热耦合状态下进行了仿真分析, 结果表明反射镜全口径最大面形误差RMS值为27.02 nm, 组件一阶谐振频率为95 Hz。对相机处于装调状态装星状态时反射镜的面形进行了有限元分析, 结果表明满足总体对主反射镜的设计要求。

高速电视测量仪主要用于完成导弹和运载火箭发射试验任务中点火、起飞、飞离塔架过程中横向漂移量测量以及初始段高精度弹道测量、高帧频实况景象记录任务。为适应航天靶场测控任务的需要, 持续提升我国航天靶场的光学测控水平, 设计了一套焦距为25～350 mm的连续变焦光学系统。该系统可以根据不同的任务需要和布站条件, 改变镜头焦距, 调整摄像机的视场, 确保目标在视场中成像占一定比例。另外, 该系统增加了高速电视测量仪的跟踪测量距离, 并有效解决了定焦光学系统相机成像时容易出现倒影、重影以及存储图像上有干扰条纹现象等问题。

本文报道了两个基于香豆素染料的次氯酸根荧光传感器(化合物C2和C4), 可在不同条件下实现对次氯酸根的快速响应。 利用次氯酸独特的氧化性, 传感器C2和C4均可实现对次氯酸根的高选择性检测。在化合物C2的溶液中加入次氯酸根之后, 溶液的荧光光谱表现出极大的荧光猝灭, 这有利于在检测过程中产生明显的荧光信号输出。不同的是, 化合物C4则对次氯酸根表现出明显的荧光增强响应。