光遗传(Optogenetics)结合光学和遗传学手段, 可以精确地控制特定神经元的活动, 为神经科学的研究提供了强有力的手段。光电极在光遗传研究中起着关键的作用, 它可以将光导入到动物体内, 并通过电极记录神经元在光调控下的活动。为了减小体积、增加功能, 依托高密度集成硅微电极和裸光纤, 设计并制备了一种植入部分横截面尺寸不超过0.1mm2、包含2个平行的给光通道和32个记录点的光电极器件。与传统的单光通道电极相比, 两个通道可以更灵活地配置不同的激发波长, 对不同位点的神经元同时进行激活或抑制。32通道的硅电极与传统的金属丝电极相比, 集成度更高, 能够以更高的空间分辨率记录神经元在激发前后的活动情况。

本文设计了一种支持多重Fano谐振的金属-介质-金属(MIM)型表面等离子体光波导(SPW)结构,该结构由带有枝节谐振腔的直波导耦合同心双圆环谐振腔组成。利用有限元法进行数值仿真,研究了耦合距离、枝节的高度以及同心双圆环内、外环半径对Fano传输特性的影响。同时,结合磁场分布图,分析了多重Fano谐振形成的物理机理。另外,通过改变填充在同心双圆环谐振腔内介质材料的折射率研究了该结构在折射率传感器领域的应用。该波导结构具有灵敏度为1 400 nm/RIU,品质因数高达1 380的传感特性。最后,本文研究了该波导结构的慢光特性,研究表明Fano峰附近的最大群折射率约为11.4,最大延迟时间约为0.076 ps。这种SPW结构在纳米尺度的滤波器、折射率传感器以及慢光器件等领域有着潜在的应用前景。

为了减小神经电极的宽度, 提高电极在光照下的抗噪声干扰能力, 提出了一种基于0.18μm CMOS工艺的抗光噪声神经微电极。采用CMOS的多层布线代替传统电极导线的单层排布, 并将电极衬底接地以有效减小光噪声。阐述了基于CMOS工艺的神经电极结构设计、制备过程与结构表征, 并对所制备的神经电极进行了电化学阻抗测试和光噪声测试。该神经电极宽度仅为70μm, 实验证明: 1kHz频率下电极的阻抗一致性好, 且在1mW/mm2的光遗传常用光辐照下, 该电极的噪声电压仅为0.07~0.08mV, 远低于传统硅电极12~13mV的噪声幅值。结果表明, 基于CMOS工艺的神经电极抗光噪声能力远优于传统硅电极, 对硅基微电极在光遗传中的应用具有重要意义。

在探测器光电转换效率的理论分析和实际测试结果基础上，建立了其功率电流(P-I)特性的非线性模型。基于该模型分析了探测器工作于线性区和饱和区的光电转换能力，将实际测试结果和理论分析结合，研究了探测器响应度饱和情况下可见光通信系统的幅频响应的变化。实验结果表明在可见光通信(VLC)系统的设计中，荧光粉的余辉虽然不会被高速调制，但是它会降低光电探测器的幅频响应度，由于光功率过大导致的探测器响应度饱和会影响系统的幅频响应幅值和系统带宽。

采用传统的X型像散腔,利用一块精心设计的半导体可饱和吸收镜(SESAM)做启动元件,实现了自启动的Kerr锁模Cr4+:YAG激光器.输出脉冲的最窄脉宽小于80 fs,脉冲重复频率为120 MHz,脉冲峰值功率可以达到100 W以上.

从棱镜对补偿色散的原理出发,介绍了Cr4+∶ YAG锁模激光器中色散补偿的特点,发现熔融石英作为色散补偿元件,不仅可以完全补偿二阶色散,而且三阶色散也得到了一定的补偿,并得到了脉冲宽度最小为65 fs,中心波长为1520 nm,重复频率为120 MHz的脉冲序列.

介绍了一种在1500 nm附近连续可调谐的Cr4+: YAG激光器,最大可调谐范围达160 nm.室温下,当吸收功率为5 W时,得到了370 mW的连续输出,激光器的抽运阈值为1.94 W.