大气黑碳气溶胶具有强吸光能力，由于形状和混合结构十分复杂，其光学特性具有较大不确定性。使用三维仿真建模工具EMBS建立不同分形维数（D_f为1.8和2.6）和混合结构的黑碳单颗粒模型，采用耦合离散偶极近似（DDA）方法计算光吸收强度（E_abs）、单次散射反照率（SSA）和光吸收截面（C_abs），并与多球T矩阵（MSTM）和Mie散射方法的计算结果进行对比。研究发现MSTM模型的E_abs结果对包裹程度F比较敏感，而DDA模型的E_abs结果对黑碳包裹层厚度的敏感性更高。DDA和MSTM模拟结果的差异主要来源于：1）DDA和MSTM方法中黑碳聚集体和包裹层形状的差异造成E_abs和C_abs的相对偏差分别为20%和23%；2）黑碳包裹层的相对位置变化导致光学结果具有2%~4%的相对偏差。因此DDA和MSTM方法的模型形状和结构差异导致光学模拟结果可能出现较大差异。

针对二维硅光栅微结构在近红外光吸收率极低的特点，提出了一种利用等离激元增强金属Ag纳米凹坑-硅栅近红外光吸收的微纳组合结构，基于时域有限差分法研究了该组合结构在0.78~2.5 μm宽波段的吸收率，分析了光栅结构与Ag纳米凹坑对光吸收效率的影响变化。模拟研究结果表明，当在周期为0.2 μm、占空比为0.5的光栅间隙和栅柱表面均嵌入直径为0.1 μm的Ag纳米凹坑时，该组合微结构在近红外宽波段吸收率均在23%以上，平均吸收率理论上可达到52.3%；当光栅表面增加Al₂O₃介质层时，宽波段吸收率均在41.3%以上，平均吸收率提高到65.1%，最终在近红外宽波长范围内提高了吸收效率。该研究为光电探测器、太阳能电池、光通信、雷达隐身、生物医疗等领域增强光吸收提供了一种新的方法。

亚波长光栅结构的光学表面具有减反特性,这种特性在光电转换效率的应用方面具有重要意义。为了提高硅基光栅结构在近红外波段(0.78~2.50 μm)的吸收率,采用在硅表面光栅空隙处加入金属Ag纳米颗粒和Al2O3介质层的方法,利用FDTD软件仿真研究不同的组合结构及颗粒的直径对光吸收率的影响,分析不同的工作波长下组合结构中特征截面的光强分布。实验结果表明,当光栅线/间比为1∶1、周期为1 μm、周期凹槽内放置两层直径为0.25 μm的金属Ag颗粒、且凹槽内金属颗粒上方填充覆盖Al2O3介质层时,该组合微结构在近红外波段范围内的平均吸收率理论上可达到0.463,实现吸收增强的效果。在光电转换器件的应用方面,金属颗粒-硅光栅-介质层组合微结构可以增强光吸收,进而提高光电转换效率。

针对可见光通信对硅基光电探测器高响应度的要求，本文利用亚波长金属光栅的异常光学透射现象，提出一种增强与硅基CMOS工艺兼容的金属-半导体-金属光电探测器吸收的方法。采用时域有限差分法，详细分析了光栅周期、光栅高度和狭缝宽度对探测器吸收性能的影响，证明了类法布里-珀罗共振和表面等离子体激元是吸收增强的物理起源。对于波长615 nm的红光通信而言，探测器金属光栅的最佳周期、最佳高度和最佳狭缝宽度分别为580，91，360 nm。与没有亚波长金属光栅结构的探测器相比，本文设计的探测器吸收系数提高了32%。本文研究的MSM探测器结构与CMOS工艺完全兼容，有望在可见光通信芯片中得到实际应用。

石墨烯作为一种单层碳原子厚度的二维材料,其在可见光和近红外波段的吸收率只有2.3%。这大大限制了其在太阳能电池、光电探测等领域的应用。本文提出一种金属介质组成的周期纳米结构,利用纳米结构中激发的磁激元共振(Magentic Polaritons,“MP”)效应,实现了石墨烯在近红外波段的吸收增强。利用有限元法的理论仿真,系统研究了纳米结构参数对石墨烯吸收特性的影响。结果表明,在特定结构参数下,能使石墨烯的吸收率增大16倍左右。利用Inductor-Capacitor(LC)电路模型成功解释了石墨烯的吸收增强的物理机制,预测了复合系统的磁激元共振峰波长,发现石墨烯的存在不影响磁激元共振峰的位置。文中提出的纳米结构在加工上易于实现,研究结果将在基于石墨烯的新型光电子器件的设计和实现方面有潜在应用价值。

提出在非晶硅薄膜太阳电池吸收层的上下表面采用亚元对称光栅来提高薄膜电池吸收率。采用严格耦合波分析法研究发现，对于厚度为400 nm 的非晶硅薄膜，在600~750 nm 波长范围内，这种新型光栅能有效地减少从上表面反射的入射光和从下表面透射的泄漏光，并增强吸收层的吸收率。仅在上表面采用亚元对称光栅，优化后的吸收率可以增强71%；仅在下表面采用光栅，吸收率增强24%；在上下表面同时采用光栅，太阳电池的吸收率可以增强81%。本研究为设计易于制作的具有高吸收率的薄膜太阳电池提供了新的思路。

基于严格耦合波理论，从反射率、吸收增强因子、光生载流子几率和理想光电转换效率几个方面模拟分析了不同锥型亚波长光栅对1 μm厚晶硅电池产生的影响。模拟结果得出：在相同光栅高度下，虽然小周期（P=100 nm）锥形亚波长光栅的表面反射率低于大周期（P=500 nm）结构的表面反射率，但是大周期锥形亚波长光栅薄膜晶硅电池的光生载流子几率和理想光电转换效率高于小周期结构的相应值，且这种区别随着光栅高度增加而增加。在AM1.5D太阳光谱下，最优化的大周期光栅使得薄膜晶硅电池光生载流子几率和理想效率增加1.4倍和1.65倍，而最优化的小周期光栅只能分别增加0.54倍和0.48倍。

We report the fabrication of submicrometer pits array (SP-array) on 6H-SiC surface by the interference of two femtosecond laser beams. Formation mechanisms and optical absorption of SP-array are studied. The relative reflectivity and transmissivity of white light decrease to 10% of the values of SiC crystal, and the optical absorption is enhanced to 97%. The relative reflectivity and transmissivity of incident angles within the range of 20o~60o are kept below 25%. The enhancement mechanism of optical absorption of the SP-array is also discussed.