为了设计制造新型的位相延迟器, 利用1维光子晶体的特性, 在折射率为1.52的玻璃上, 镀制了由硫化锌(ZnS)与冰晶石(Na3AlF6)构成的多周期二次元一维光子晶体,进行了数值模拟计算及理论分析。结果表明, 在带隙范围内, 1维光子晶体的等效折射率是虚等效折射率;在斜入射时, 带隙内的p光和s光的反射光各自位相增加, 出现位相延迟, 其偏振态发生改变, 由线偏振光变为椭圆(圆)偏振光;在发生全反射时, 光疏媒质的等效折射率是虚等效折射率;反射光出现位相增加, 产生位相延迟, 其偏振态发生改变, 由线偏振光变为椭圆(圆)偏振光。该延迟器可以改变光的传播方向, 改变偏振态的位相, 克服了薄膜λ/4波片的缺陷。

为了研究和论证锗硅材料体系在器件的工艺制备和理论性能上的优势, 拓展锗硅量子阱结构的应用范围, 采用数值仿真结合实际器件制备的方法, 进行了理论分析和实验验证, 设计了一种基于Ge/SiGe非对称耦合量子阱材料的光学相位调制器, 并在实验测试中验证了该理论的正确性。结果表明, 当电场超过40 kV/cm时, 该材料在1450 nm波长处可以达到最高0.01的电致折射率变化; 经测试发现, 实际制备的器件在1.5 V的反向偏置电压下,实现了1530 nm波长处2.4×10-3的电致折射率变化, 对应的VπLπ=0.048 V·cm, 在同类型锗硅光调制器中达到了先进水平。该研究为硅基集成光调制器的进一步发展开辟了新的方向。

为了研究当单层石墨烯位于多层Fabry-Pérot(F-P)谐振腔中时, 系统近全吸波模式与多层F-P谐振腔数目之间的关系, 同时提高系统对吸波模式的调控能力, 采用严格耦合波分析法, 对石墨烯多层F-P谐振腔系统的吸波响应进行了研究, 分析了临界耦合条件下双层和3层F-P谐振腔结构的光谱响应特征。结果表明, 双层和3层F-P谐振腔可调谐近全吸波体, 分别形成了两个99%以上和3个96%以上的近全吸波模式; 通过对石墨烯掺杂可以实现对3层F-P谐振腔系统吸波特性的调节, 通过改变3层谐振腔的结构可以控制系统吸收模式的数量和相对位置。该研究为可调近全吸波系统引入更丰富的吸波线型。

为了实现红外波段的双频带完美吸收，采用将不同电子掺杂浓度的单层带状黑磷在同一平面内交错排列的方法，进行了理论分析和仿真模拟，得到了此器件在红外波段的吸收光谱和传感性能。结果表明，此吸收体可以在波长2 μm~5 μm的红外波段范围内实现双频带的完美吸收（吸收率大于99.9%）,此高吸收率是由于入射光波与器件满足了临界耦合条件而形成了共振加强; 在共振波长处，光波被限制在黑磷附近; 此超材料吸收体的双频带特性在其作为传感器使用时具有独特的优势，可以提高传感器的可靠性和准确性; 吸收波峰的偏移量与覆盖在此器件上的未知物质的折射率基本呈线性关系，用此器件测得的未知物质的折射率与实际的折射率的误差在1%以内。该超材料吸收体结构简单，对制作工艺的尺寸精确度要求不高，在红外波段的多频带吸收和传感检测方面将会有广泛的应用。

为了解决低压器件中银基触头易熔焊、易烧蚀、电寿命不足的问题，采用了激光法制备新型石墨烯/银基复合触头。通过激光熔覆技术在商用AgNi15触头表面制备了全覆盖的石墨烯薄膜，将其作为独立涂层抵抗环境的破坏; 进行了理论分析和实验验证，取得了最优工艺条件及相应的性能数据。结果表明，所制备的新型石墨烯/银基复合触头硬度为104.05 HV，密度为9.15 g/cm3，接触电阻为0.016 Ω。该研究为高性能低压触头提供了新的解决方案和实验基础。

为了解决电力系统中关键材料电触头同时受到电弧烧蚀、动静触头相互碰撞产生的冲击载荷和摩擦以及电流产生焦耳热引起的熔焊的问题, 提高电气设备的使用性能, 发展新型高性能触头材料, 提出了一种石墨烯/紫铜复合触头的新型制备方法。采用等离子体辅助加工手段, 在质量分数为0.999的紫铜表面上制备出镍铜合金过渡层, 在此过渡层上利用高功率连续激光原位制备石墨烯表面薄膜, 全覆盖于紫铜基底表面, 作为独立涂层来抵抗触头材料所受的破坏, 探索了制备石墨烯复合触头材料过程中的等离子体辅助加工工艺以及激光加工工艺。结果表明, 石墨烯/铜基触头材料具有优异的电工特性, 电阻与紫铜相近, 硬度为紫铜的1.8倍, 摩擦系数仅为0.06。本研究可为电工材料提供新的解决思路和新的材料体系。

为了在中红外波段获得多阶表面等离激元法诺共振, 设计了结构简单、制备方便的非对称石墨烯纳米片二聚体阵列超表面。采用有限元分析方法, 对各阶法诺共振峰产生的物理机制, 费米能级、纳米片结构及相对位置等因素对法诺共振的影响进行了理论分析。结果表明, 随着费米能级的增加, 法诺共振发生蓝移; 表面等离激元共振效应增强, 同时增强了近场的局域效应; 随着纳米片二聚体的大小和位置的不对称性增加, 法诺线型的非对称性也随之增加; 这种结构简单的多阶表面等离激元法诺共振有望在生物传感及相关领域得到广泛应用。该研究为进一步的实验研究提供了理论参考。

基于深度学习的超材料器件设计得到了前所未有的发展, 但在基于2维材料的反设计中, 传统的人工神经网络难以解决在小采样空间内陷入局部最优值的问题, 且随着结构的复杂性增加, 需要耗费大量的计算成本。针对这些缺陷提出了一种基于AdaBelief优化算法的残差神经网络, 选择基于石墨烯的多层交替薄膜结构的设计来验证该网络的有效性, 采用特征矩阵法构造出结构参数所对应的多谐振完美吸收光谱样本。结果表明, 该网络模型在较短的训练时间内达到了97%以上的预测精度;通过与其它神经网络预测结果的对比, 该网络展现出了预测精度高、收敛速度快等优势。该研究实现了基于石墨烯的完美吸收超材料结构的设计目标。

为了提高光学器件的传输性能, 推动微型光学器件及大规模集成光路的发展, 提出了一种新型2-D石墨烯等离子体光子晶体结构。通过周期性排列蜂窝状的石墨烯盘, 调整一个周期内两个石墨烯圆盘的直径, 打开狄拉克点; 基于有限元法, 运用COMSOL仿真光场传播、计算光子带隙, 打破时间反演对称性, 实现能带拓扑效应。结果表明, 该设计的晶格常数等均处于纳米量级, 相较于自由空间波长减小近30倍, 具有小型化、高集成化等优势; 该结构可在15.3THz~15.8THz频段范围进行动态调制。此研究为设计具有鲁棒性的纳米量级光子器件提供了参考, 有望在波导频率的调控、光开关等领域拓展应用。

为了研究量子关联测量和Hong-Ou-Mandel干涉测量在激光雷达探测上的潜在应用, 采用基于色散位移光纤制备关联双光子源的方法和全同光子的Hong-Ou-Mandel干涉原理, 搭建了关联双光子产生平台和Hong-Ou-Mandel干涉平台, 进行了理论分析和实验检测。结果表明, 制备出的关联双光子源, 其双光子产生率最高约8kHz, 符合/偶然符合计数比最大值约为15, 验证了双光子源的量子关联特性; 测试了两路弱相干-单光子源的Hong-Ou-Mandel干涉, 干涉可见度为0.41±0.01, 若将一路光子信号作为激光雷达的回波信号, Hong-Ou-Mandel干涉测量可以将激光雷达的时间测量精度提升到0.95ps±0.03ps, 对应空间分辨率为284.06μm±9.94μm。相关实验结果为后续研究不同体制的量子光学-激光雷达技术奠定了基础。