金刚石具有宽带隙(5.47 eV)、高载流子迁移率(空穴3 800 cm2/(V·s)、电子4 500 cm2/(V·s))、高热导率(22 W·cm-1·K-1)、高临界击穿场强(>10 MV/cm), 以及最优的Baliga器件品质因子, 使得金刚石半导体器件在高温、高频、高功率, 以及抗辐照等极端条件下有良好的应用前景。随着单晶金刚石CVD生长技术和p型掺杂的突破, 以硼掺杂金刚石为主的肖特基二极管(SBD)的研究广泛展开。本文详细介绍了金刚石SBD的工作原理, 探讨了高掺杂p型厚膜、低掺杂漂移区p型薄膜的生长工艺, 研究了不同金属与金刚石形成欧姆接触、肖特基接触的条件, 分析了横向、垂直、准垂直器件结构的制备工艺, 以及不同结构对SBD正向、反向、击穿特性的影响, 阐述了场板、钝化层、边缘终端等器件结构对SBD内部电场的调制作用, 进而提升器件反向击穿电压, 最后总结了金刚石SBD的应用前景及面临的挑战。

研究了衍射光栅的闪耀特性，并对光栅衍射过程中的衍射异常现象进行了分析。采用严格的耦合波矢量理论，分析了包括矩形光栅、锯齿形光栅、三角形光栅等常用的不同槽型结构光栅的闪耀特性，并与标量衍射理论的计算结果做了对比分析。当波长约为0.5倍光栅周期时，光栅表现出明显的偏振现象。研究表明，锯齿形光栅具有优异的闪耀特性，衍射效率可达90%以上。与锯齿形光栅相比，三角形光栅加工难度低，同时由于其结构的不对称性，其+1级与-1级衍射光具有不同的闪耀波长。分析了光栅衍射异常现象产生的原因、异常波长位置以及衍射效率特性，为进一步消除衍射异常现象打下理论基础。研究结果为高效率衍射光栅的制作提供了理论指导。

通过工程优化方法与衍射光栅矢量理论相结合, 对衍射光栅的结构参数进行了优化设计研究。采用严格的耦合波矢量理论分析表面浮雕光栅的衍射效率特性, 并建立了具有全局寻优特性的遗传算法在衍射光栅设计中的数学模型; 研究了包括双闪耀光栅在内的多种槽型衍射光栅的优化设计。优化设计表明, 该方法对初始设计方案没有特殊要求, 能够快速得到多种槽型衍射光栅的最优结构参数, 优化后光栅的衍射效率可以达到90％以上, 双闪耀光栅经优化设计以后在整个波段均能获得很高的衍射效率。在光栅的设计过程中采用全局工程优化算法进行分析设计, 为高效率光栅的制作提供了理论指导; 同时也为光栅设计的逆问题提供了一种可行的求解方法。

为了系统研究闪耀光栅的衍射特性,分析光栅结构参量对其衍射效率的影响,采用严格的耦合波分析方法,得到了闪耀光栅的槽顶角、闪耀角等结构参量以及波长与衍射效率的关系。结果表明,随着槽顶角的增大,闪耀角向减少的方向移动,衍射效率则向降低的方向移动;槽顶角一定时,随着光波长的增大,衍射效率降低,同时闪耀角向增大的方向移动;同时分析了闪耀光栅的偏振现象。分析结果可为闪耀光栅的设计提供参考依据。

半导体激光器抽运耦合系统是固体激光器的重要组成部分。非成像系统空心透镜导管构成的耦合系统非常适用于大功率的半导体抽运阵列。为了给出透镜导管耦合系统的最佳结构, 需要研究抽运光束在耦合系统内及输出面的分布。利用几何光学理论, 在三维空间内, 建立了空心透镜导管中抽运光束传播的数学模型, 推导了光束传播的三维轨迹方程; 在全三维光线追迹的理论分析基础上, 开发了模拟透镜导管耦合系统传输光线的3D计算机仿真软件; 通过该软件可以自动获得全部抽运光线在透镜导管耦合系统中的真实传输路径及在耦合系统输出端面的分布。最后探讨了抽运光束通过空心透镜导管耦合系统后的能量转换效率。计算结果表明, 空心透镜导管的能量转换效率可以达到96.08%以上。