稀土离子的上转换发光通常具有发射带宽窄及峰位难以调节等问题。为了获得近红外光激发下的宽带上转换发光, 我们对Yb3+-Mn2+共掺杂CaF2材料的上转换发光性质进行了研究。将稀土离子Yb3+及过渡族金属离子Mn2+掺入到CaF2材料中作为发光中心, 利用高温固相反应法制备了Yb3+单独掺杂及不同浓度Yb3+及Mn2+离子共掺杂的CaF2体相材料。在980 nm近红外光激发下对不同样品的上转换发光进行了比较研究。实验结果表明, 与单独掺杂Yb3+离子的材料相比, CaF2∶Yb3+/Mn2+材料在980 nm激光激发下出现了一个位于620 nm附近的宽带发光, 我们认为这个发光来自于Yb3+团簇向Mn2+离子的合作敏化, 对应于Mn2+离子的 4T1 →6A1跃迁。因此, CaF2体系中存在Yb3+离子二聚体向Mn2+离子的合作能量传递过程。

由于具有较大的光学吸收系数与低廉的材料成本, 硫化亚锡(SnS)在新型薄膜太阳能电池中展现出巨大的应用前景。为了实现SnS薄膜的可控制备, 进而研究其光伏特性, 首先, 利用脉冲电沉积法在不同工艺条件下制备了一系列SnS薄膜; 然后, 通过X射线衍射(XRD)技术与扫描电子显微镜(SEM)对薄膜的晶体结构与表面形貌进行表征, 结合紫外-可见-近红外吸收光谱测试结果, 研究两种不同开启脉冲电压对SnS薄膜禁带宽度的影响。同时, 采用莫特-肖特基方程定量计算了SnS薄膜的导电类型与掺杂浓度。在此基础上, 设计了基于Au/SnS/CdS/ITO异质结的原型光伏器件。在AM1.5标准太阳光照射下, 原型器件开路电压为111 mV, 短路电流密度为20.81 μA/cm2。为未来低成本、高性能的薄膜太阳能电池吸收层材料研究提供了理论基础和实验依据。

蓝色荧光材料在作为有机发光器件(OLED)的蓝光发光层材料方面具有很大的商业应用潜力。本文将4-(9H-咔唑-9-基)苯胺(CzPA)作为电子给体单元、三氟甲基苯基(FMP)作为电子受体单元, 通过在CzPA和FMP之间分别引入苯, 9,9'-二辛基-9H-芴和双(9,9′-二辛基-9H-芴)作为π-共轭桥, 设计并合成了一系列基于扭曲A-π-D-π-A构型的蓝色荧光材料(CzPA-B-FMP, CzPA-F-FMP, CzPA-DF-FMP), 并研究π-共轭桥与材料光物理性质之间的关系。通过对材料的相关光物理性质以及电荷转移特性的详细比较, 可以分析得出: CzPA和FMP之间的π-共轭桥长度的增加可以增强激发态的局部激发特性, 进而提高这些材料的荧光量子效率和器件的外量子效率。但是, 过长的π-共轭桥将导致更大的分子间共轭效应, 不利于材料光物理性质的优化。

采用高温固相烧结法在1 300 ℃反应2 h成功制备出钙钛矿型LaFe0.75Cr0.25O3和La0.75Mg0.25Fe0.75-Cr0.25O3粉体材料。通过XRD、FT-IR、SEM、XPS和Upward IntegratIRTM等对材料的物相结构和近中红外波段的发射性能进行分析表征, 并应用第一性原理计算分析了其电子结构, 研究影响发射率的理论机制。研究表明,粉体在1～5 μm波段的发射率都出现上升, 但Cr单掺试样的吸收率增幅不大, 而Mg-Cr共掺粉体增幅较大, 在近红外波区的吸收率在0.9以上。究其原因在于, Cr单掺后晶体发生畸变, 但不增加自由载流子的浓度, Mg-Cr共掺后畸变加剧且生成较多氧空位和小极化子, 强化了自由载流子的吸收。Cr 3d轨道与O 2p所形成的杂化能级和在近费米能级导带区的Cr 3d轨道造成了粉体禁带宽度变窄, Mg虽然未直接作用于带隙值, 但间接改变了B位元素的形态, 产生了更多的小极化子, 因此与LaFeO3禁带宽度值(3.817 eV)相比, Mg-Cr共掺(0.109 eV)减小幅度最大, Cr单掺(2.406 eV)次之。

为了明确溶剂对MoS2量子点发光的影响, 以液相剥离法在N-甲基吡咯烷酮(NMP)与1,2-二氯苯(DCB)的混合溶剂中制备了MoS2量子点, 并采用透析的方法对照研究了溶剂及含有MoS2量子点的溶液的发光性质。结果表明, 量子点尺寸分布均匀, 粒径约2.4 nm。拉曼光谱中可在381 cm-1和406 cm-1处观察到MoS2材料的E12g和A1g拉曼特征峰。光学性质分析表明, MoS2量子点的存在造成了260～400 nm附近紫外光吸收的明显变化, 且混合溶剂中的MoS2量子点荧光发射波长对激发波长表现出严重的依赖性。以水为外部环境的透析实验结果表明, 透析后DCB溶剂的HOMO能级会导致MoS2量子点在442 nm附近的发光出现多个发射峰, 但其发光波长不再随激发波长而改变, 进而说明有机溶剂中MoS2量子点发光对激发波长的依赖性是由于有机溶剂在紫外光激发下发光造成的。

太阳光泵浦激光器可将太阳光直接转化为激光, 在空间太阳能发电站、深海等领域有着极大的应用前景, 而Cr,Nd∶YAG是一种很有潜力的太阳光泵浦激光介质。 本文以高纯Y2O3、α-Al2O3、Nd2O3、Cr2O3粉体作为原料, 采用固相反应法结合真空烧结技术制备了高光学质量的0.1%Cr,1.0%Nd∶YAG透明陶瓷, 并研究了其光谱特性和激光参数。根据太阳辐照光谱和Cr,Nd∶YAG陶瓷的吸收和发射光谱, 计算了不同条件下Cr,Nd∶YAG陶瓷激光器的泵浦率、阈值太阳聚光比、有效发射截面、饱和光强和阈值输入功率等激光参数。研究发现0.1%Cr,1.0%Nd∶YAG陶瓷(厚度为1.0 mm)在370 nm和1 064 nm处的直线透过率分别为81.5%和84.0%, 晶胞密度为4.57 g/cm3, 光学散射损耗为1.4% cm-1, 吸收带内的太阳辐照度约是太阳常数的 42%。上述研究结果表明Cr,Nd∶YAG陶瓷是理想的太阳光泵浦激光介质, 可通过优化聚光系统、泵浦方式和陶瓷尺寸获得高功率激光输出。

三个具有不同量子阱宽度的GaAs/AlAs多量子阱结构样品通过分子束外延生长设备生长在半绝缘的(100)p-型GaAs衬底上, 并且在量子阱层结构的生长过程中, 在GaAs阱层中央进行了Be受主的δ-掺杂。基于这3个结构样品, 通过光刻技术和半导体加工工艺制备了相应的两端器件。在4~200 K的温度范围内, 我们分别测量了器件的电流-电压特征曲线, 清楚地观察到了重、轻空穴通过δ-掺杂Be受主GaAs/AlAs多量子阱结构的共振隧穿现象。发现随着GaAs量子阱层宽的逐渐减小, 轻空穴的共振隧穿峰向着高电压方向移动, 这个结果和通过AlAs/GaAs/AlAs双势垒结构模型计算的结果是一致的。然而, 随着测量温度的进一步升高, 两个轻空穴共振峰都朝着低电压的方向移动, 并且在150 K温度下, 其中一个共振遂穿峰表现为一种振动模式。

光热治疗基于光热药剂在激光照射下产生热量, 进而高温杀死肿瘤细胞, 因而实时监测光热过程中微观温度变化对于优化治疗效果具有十分重要的作用。稀土Eu3+配合物的发光具有线谱、长荧光寿命以及对温度高度敏感的特点, 利用Eu3+配合物的温敏特性可检测光热过程中的温度变化, 整合温度监测功能和光热特性的纳米体系在光热治疗领域具有很好的应用前景。本文制备了一种内部封装温度敏感探针Eu3+配合物且表面复合金纳米球的功能纳米颗粒, 将该功能纳米颗粒分散液置于不同的温度环境中, 发现其荧光性能对温度具有高的响应灵敏度, 即Eu3+的特征发射峰(615 nm)强度随温度升高降低52.7%, 表明该稀土荧光温度纳米传感器具有高的温度敏感性。在激光辐照下, 功能纳米颗粒可以产生良好的光热现象, 基于自身的温敏特性可实时对光热特性进行温度监控。

采用水热法和热处理技术制备了不同掺杂比例的Zn1-xCuxAl2O4(x=0,0.05,0.10,0.15,0.20)纳米颗粒, 通过X射线衍射(XRD)、场发射透射电子显微镜(FETEM)、傅里叶红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、光致发光光谱(PL)和紫外可见光谱(UV-Vis)对样品的晶体结构、形貌、元素分布、结合能和光学性能进行表征, 并通过第一性原理计算得到了ZnAl2O4结构中存在的各种缺陷的能带结构。实验结果表明本方法制备的Zn1-xCuxAl2O4纳米颗粒为尖晶石结构, XPS能谱说明Zn0.9Cu0.10Al2O4样品中Cu2+全部占据了四面体位置, PL光谱显示Cu2+掺杂的样品出现了猝灭现象, 紫外光谱表明Cu2+掺杂后样品出现了新的吸收峰。并结合第一性原理计算对样品的光学性质给出了合理解释。

为了实现可见光全波段光波吸收器, 设计了石墨烯和一维光子晶体的复合结构。用修正的传输矩阵法研究它的传输特性。通过参数的优化和设计级联结构, 在正入射条件下该结构在整个可见光波段除两个个别频率吸收率为0.7和0.66外, 其余吸收率均达到0.88。结构的吸收还具有对入射角度不敏感的特征。

采用反射型体布拉格光栅作为反馈元件构成红光外腔半导体激光器, 对器件输出光特性进行了实验研究。重点研究了体布拉格光栅的位置对红光外腔半导体激光器远场特性的影响。实验结果表明, 减小体布拉格光栅与激光器芯片之间的距离可提高激光器的锁模效果, 窄化光谱, 并且改善慢轴方向的光束发散角。使用衍射效率为20％的体布拉格光栅, 可将半导体激光器的输出波长稳定锁定在634 nm附近, 光谱线宽压缩至0.7 nm左右, 输出功率可达1.06 W。

为了实现紫外-可见波段的高响应度/低成本的广光谱光电探测,我们制备了基于一维p型Se微米线与二维n型InSe纳米片的混维范德瓦尔斯异质结广光谱探测器。得益于Se微米线与二维层状结构InSe纳米片的高结晶质量, 该器件在紫外-可见光广光谱范围都具有非常高的响应度, 该器件的响应截止边为700 nm。 值得指出的是, 该器件在-5 V的偏压下, 对460 nm的光源响应度可以达到108 mA/W,该数值比原来的Se探测器高了800%。这项研究有利于拓展我们对范德瓦尔斯异质结的认识, 也为今后制备高性能的低维光电探测器提供了一种新的途径。

为降低半导体激光器在慢轴方向的远场发散角, 改善慢轴光束质量, 本文提出了一种新型的绝热封装结构, 可削弱激光器工作时因芯片横向温度不均而导致的热透镜效应, 并基于傅里叶热传导方程, 采用有限元分析软件ANSYS 18.0进行热特性仿真, 利用Fineplacet贴片机对808 nm In0.1Ga0.73Al0.17As/Al0.37GaAs宽条形半导体激光器进行绝热封装, 采用电荷耦合器件(CCD)图像采集分析法对其光束质量进行测量。实验结果表明采用绝热封装方式可减小慢轴发散角约40%, 且慢轴发散角随工作电流变化更稳定, 相对应的光参数积BPP和光束质量因子M2也随之降低约33%和30%, 芯片横向(慢轴方向)与热沉接触宽度越小, 绝热封装对慢轴光束质量改善效果越好。绝热封装中空气隙的引入使得激光器光电特性产生恶化, 输出功率降低约14%, 光电转换效率降低约8.7%。绝热封装方式对改善半导体激光器的慢轴光束质量具有重要的指导意义。

报道了中心波长在674 nm的周期性电极窄条形单纵模半导体激光器。其制作工艺简单, 仅使用i线光刻技术和普通的刻蚀技术制作的周期性沟槽与周期性电极结构即保证了器件工作在增益耦合机制下, 进而实现单纵模激光输出。当注入电流为85 mA、测试温度18 ℃时, 激光器的输出功率为2.603 mW。 当注入电流为60 mA时, 在不同测试温度下, 器件均保持单纵模工作。当室温为16 ℃时, 测得器件的光谱线宽可达到2.42 pm, 边模抑制比为47 dB。 由于该器件制作成本低, 性能优良, 可广泛应用于实际生产中。

高阈值是实现直接电驱动聚合物激光器的主要障碍。本文采用性能优异的蓝光材料-聚芴(PFO)作为激光增益介质, 根据腔量子电动力学原理, 设计出结构合理的平面光学微腔, 通过减薄聚合物层厚度的方法进一步降低有源层材料自吸收; 采用两种不同材料体系的分布布拉格反射镜(DBR)构筑光学微腔, 减小顶部DBR制备过程中引入的额外光损耗, 获得了低损耗、高Q值的光学谐振腔; 有效调控PFO的自发发射和受激发射特性, 最终实现了峰值波长位于443 nm、阈值仅为30 mW/cm2的光泵浦低阈值聚合物激光器。

黄体酮(Progesterone, PROG)是临床用于治疗先兆流产的常用药物之一, 但其在生物体内的运输机制尚不明确。本文整合荧光光谱、红外光谱及分子对接等实验技术研究了PROG和牛血清白蛋白(BSA)之间的相互作用机制。光谱学实验结果表明, PROG在BSA的结合位点Ⅰ处与其结合, 从而引起BSA的内源荧光猝灭, 猝灭机制为静态猝灭和非辐射能量转移, 两者之间的结合距离为1.63 nm。在人体正常体温条件下, 两者的结合常数为1.423×104 L·mol-1。根据热力学公式计算得到两者结合过程中ΔH=－65.31 kJ·mol-1和ΔS=－131.63 J·mol-1·K-1, 说明PROG和BSA之间的主要作用力为氢键和范德华力。红外光谱研究结果表明,PROG能使BSA构象发生改变, 其中α-螺旋结构和β-片层结构含量下降, β-折叠结构含量上升。分子对接结果表明,PROG与Trp214之间的相互作用是引起BSA荧光猝灭的主要原因, 且PROG与Lys195残基之间存在的氢键有利于PROG-BSA复合物的稳定。分子对接结果与光谱实验结果相互印证, 为揭示PROG在人体运输储藏过程提供了数据支撑。