光谱烧孔型全息存储因高密度、抗干扰、低能耗的特点而具备了海量“冷数据”存储潜力。本文结合作者的科研经历，首先简要回顾了光谱烧孔的发展历程和存在瓶颈；随后基于等离激元光谱烧孔的基本原理，阐述了过渡金属氧化物/贵金属功能基元室温全息光谱烧孔的新思想；继而展示了作者在大面积全息盘片研制和小型化全息存储器开发方面的最新成果；最后对未来利用功能基元空间序构实现高密度频域全息光谱烧孔进行了展望。作者所在团队的系列工作开辟了高密度光存储的新方向，同时为发展过渡金属氧化物基高集成光电器件提供了有益的思路。

目前，荧光成像技术已成为生物医学应用中的重要工具之一，但其易受到光的穿透能力有限、组织自体荧光干扰等因素的影响。与可见光和近红外一区（NIR?Ⅰ）光相比，近红外二区（NIR?Ⅱ）荧光成像具有更深的穿透深度、更高的成像分辨率和灵敏度、更低的背景噪音和更高的信噪比，因此在脑血管成像和重大脑疾病的成像诊断方面展现出潜在的应用前景。本文主要介绍了不同类型NIR?Ⅱ荧光探针及优化其光学性能的策略。同时，总结了这些探针在脑成像方面的研究进展，并对未来临床应用所面临的问题进行了探讨。

近年来，将近红外光转换为短波长的可见或近红外光的稀土纳米晶上转换发光研究吸引了生物成像、纳米温度传感、太阳能电池等领域研究者的广泛关注。面向多领域的应用需求，稀土纳米晶上转换发光需提高其发光强度、发光波长以及激发波长的选择性。本文综述了纳米尺度上，通过组成、结构以及核壳结构的设计，在理解上转换发光过程的能量传递路径和上转换发光过程的基础上，提高对上转换发光的颜色、各跃迁的比例以及发光强度、发光寿命等调控的研究进展。此外，还关注了纳米晶与贵金属表面电场、表面有机分子以及环境温度的耦合在提高辐射跃迁几率、减少无辐射能量损失等方面提高其上转换发光强度的研究发展趋势。

日盲紫外探测器在**和民用领域均具有广阔的应用前景。基于宽禁带半导体材料的日盲紫外探测器具有无需昂贵的滤光片、工作电压低、全固态、体积小、重量轻、抗干扰能力强、工作温度范围广等特点，是公认的新一代紫外探测器。在众多的宽禁带半导体材料中，以Ga₂O₃作为典型代表的镓基氧化物材料因其优异的电学和光电特性已经成为近年来微电子学和光电子学领域的研究热点，特别是其本征日盲、耐高温、耐高压、化学稳定性好等优异特点使得该类材料在日盲紫外光电探测领域展现出巨大的发展潜力。鉴于此，本文综述了不同晶体结构的Ga₂O₃、镓酸盐氧化物、镓锡氧化物、镓铝氧化物等镓基氧化物薄膜及其日盲紫外探测器研究进展。

作为新一代固态照明光源，白光LED在能量转换效率、亮度、化学稳定性和环保性等多方面显示出突出的性能优势，广泛应用于照明领域。而在其多种白光构筑方式中，“近紫外LED+多色荧光粉”更有利于实现高显色指数和低色温的健康照明，这种方法受到高度关注，高品质多色发光材料的开发和性能调控也是近年来的研究热点。本文主要介绍了Eu²⁺/Ce³⁺激活的近紫外LED用发光材料的最新进展，包括商用荧光粉的性能优化和新体系的开发，讨论了材料设计和性能调控的手段。最后，对近紫外LED用发光材料的部分机遇和挑战进行了讨论，从而对白光LED的发展提供一定的参考和指导。

稀土掺杂的无序结构晶体具有优异的下转移和上转换发光性能，通过对材料的发光调控可使其广泛应用于各种光学和光电子学领域。稀土离子的光学性质与所处的晶体场环境密切相关，因此，使用稀土离子作为灵敏的结构探针，可以确定无序结构发光材料中稀土离子掺杂的局域结构和位置对称性；同时，通过改变稀土离子掺杂的无序结构晶体的局域位置对称性也可以进行一系列发光调控。本文首先介绍了稀土离子掺杂无序结构材料的晶体学格位对称性和光谱学格位对称性；其次，系统总结了通过改变局域结构来调控稀土离子掺杂的下转移/上转换发光的最新成果，包括组分调节和外场调节；最后，深入探讨了稀土掺杂无序结构发光材料面临的挑战和发展前景。

过渡金属（TM）激活离子由于在近红外发光、红外激光、荧光转化的白光LED、荧光温度计、余辉发光等方面的优异性能和应用潜力而被广泛研究。TM离子在固体中可占据八配位、六配位、四配位等多种配位格位，可呈现多种价态且光跃迁性质强烈依赖于晶体环境，因此TM离子在固体中的发光中心确定、发光机理理解和性能预测存在困难。本文通过第一性原理计算探索固体中TM离子的热力学和光跃迁性质。内容包括：通过对各种化学氛围下形成能的计算结果，分析基质的本征缺陷以及TM离子占位、价态、分布和浓度；理解不同晶体环境中TM离子的各激发态和能级结构；构建位形坐标图分析激发、弛豫、发射及猝灭过程；提出通过合成氛围、共存条件和离子共掺等方式调控或优化TM离子的占位、价态和光跃迁的方案。本文以若干具有代表性的体系为依托，展示了如何运用第一性原理计算手段进行掺TM离子固体发光材料的研究。具体所涉及的代表体系和研究内容为：Ti∶Al₂O₃激光晶体中红外残余吸收机理及其减弱或尽可能消除的方法，典型尖晶石和石榴石基质中Mn²⁺、Mn³⁺、Mn⁴⁺的占位和激发、弛豫、发射等光跃迁性质，固溶氧化物基质中铬离子的占位、价态及相应的光跃迁性质等，表明第一性原理计算可用于发光材料的机理研究、理性设计和优化。

具有热激活延迟荧光（Thermally activated delayed fluorescence，TADF）特性的有机给、受体（Donor?acceptor，D?A）分子体系通过反向系间窜越捕获三重态激子，可以将内量子效率的理论上限提高到100%，因而受到极大关注。通常，具有分子内电荷转移特性的D?A体系可以通过构建扭曲的分子构象来减小单、三重态之间的能差ΔE_S?T，以确保反向系间窜越快速发生。当分子被激发后，若激发态构象中D?A的二面角更接近90?时，ΔE_S?T会更小，延迟荧光也会增强。然而，快速的溶剂化过程常常会影响激发态构象、分子内电荷转移过程、延迟荧光发射，这使得研究TADF分子发光过程更富有挑战。本文综述了本课题组近期在溶剂化对D?A体系延迟荧光的影响及调控方面所取得的初步进展。结果显示，强极性溶剂会导致非辐射弛豫增加，不利于TADF发射；改变溶剂粘度会影响激发态构象弛豫，从而可以实现对TADF的增强或减弱的调控。这些结果有助于理解溶剂化效应与构象弛豫、TADF之间的关系，为TADF分子的设计与合成提供指导。

由于量子限制效应，自组装半导体单量子点具有类似于原子的分立能级，可实现高不可分辨、高亮度和高纯度的单光子发射，其多种激子态能够产生不同偏振模式的光子。而光学微纳结构是调控量子点发光性质的有效手段，当单个量子点与光学微腔发生弱耦合时，Purcell效应将大大提高量子点作为单光子源或纠缠光子对源的性能。同时，量子点与光学微腔的强耦合系统可以作为量子光学网络中的量子节点，以及用于研究单光子水平的光学非线性效应。利用量子点与光学波导的耦合可实现固态量子比特和飞行光子比特的相干转换，以及高效的信息处理与传输，由此构建可靠的片上光学网络。此外，单量子点还具有可操控的自旋态，可作为量子比特的载体。考虑到量子点器件的制备过程易与成熟的半导体技术相结合，基于量子点的器件设计具有良好的可扩展性和集成化潜力。

二维材料及其异质结构由于其独特的结构和优异的光电性能，有望成为下一代光电子技术的核心材料。光生载流子的动力学性质对这些材料的光电性能具有重要的影响。本文综述了近年来对这些材料中光生载流子动力学过程的研究进展。在时域动力学方面，介绍了利用基于超快激光的瞬态吸收光谱技术所揭示的二维材料中的载流子热化、能量弛豫、激子形成、激子?激子湮灭、以及激子复合等物理过程。在空域动力学方面，讨论了利用具有高空间分辨率的瞬态吸收显微技术来研究光生载流子在二维材料平面内的输运过程。在此基础上，进一步讨论了二维材料异质结构中的电荷及能量在层间转移的过程。

当前，有机和钙钛矿材料在发光显示和太阳能电池等领域得到了广泛的应用。为了更好地深入研究这些材料的特性和优化其性能，研究人员需要对它们的激发态动力学过程进行充分的了解。为此，利用磁?光?电综合手段成为了研究这些材料的重要方法之一。通过这些手段，可以对有机和钙钛矿材料的激发态动力学过程进行精确表征，并得出其结构的细节特征，如电子?空穴对分离过程和体内极化等。此外，这些手段还可以研究材料的磁光特性和电学性质，从而为实现这些材料的跨学科交叉研究提供支持。本文结合作者的研究工作，阐述了基于钙钛矿和有机材料，利用磁?光?电研究手段在非线性发光薄膜和光伏器件方面展开的相关研究。通过这些研究，可以更好地理解这些材料的性能和特征，并为开发更先进的光电器件奠定基础。

蓝光OLED材料是电致发光领域的关键和难点。基于高能激发态转换的“热激子”材料表现出优异蓝光材料的潜能。本文通过调节给受体的推拉电子能力，以蒽为核心构筑单元、三苯基苯为弱给体、苯氰基为受体，设计合成了一种新型D?π?A结构分子TACN。扭曲的三苯基苯提供了高度扭曲的分子构象，有效减弱了聚集态下的猝灭效应，因此TACN表现出高的荧光量子产率（聚集态下47%）。实验结果和理论分析表明，TACN具备“热激子”特征，其大的T₂?T₁能隙（1.45 eV）有效阻碍了从T₂到T₁的内转换（IC）过程，而小的T₂?S₁能差（0.18 eV，T₂> S₁）有利于促进反向系间窜越（RISC）过程。基于TACN的非掺杂器件表现出深蓝色发射（λ_max= 444 nm），半峰宽（FWHM）为59 nm，色坐标为（0.17，0.13）。其最大外量子效率（EQE_max）为8.3%，相应的激子利用率（EUE）最高为88.7%。

针对目前铜、金等金属材料加工的实际应用需求，开展了连续输出功率500 W的光纤耦合输出蓝光半导体激光加工光源研究。基于平面窗口TO封装的蓝光半导体激光单管器件，设计采用长后工作距的快轴准直镜和慢轴准直镜分别准直，获得低发散角、高光束质量的单元准直光束；结合二维空间合束、偏振合束和光纤耦合，将144个蓝光单管器件耦合进200 μm/NA 0.22光纤，通过ZEMAX软件对半导体激光光路进行光线追踪模拟；并从实验上实现，3 A电流驱动下，200 μm/NA 0.22光纤输出连续功率523 W，电光转换效率29 %。该激光光源具有直接加工铜、金等材料的能力。

空穴注入效率低是制约蓝色量子点发光二极管（QLEDs）性能的关键因素。通过提升PEDOT∶PSS的电导率来增加器件的空穴注入效率是提升蓝色QLEDs性能的重要方向。由于二维材料碳化钛（Ti₃C₂T_x）具有较高的导电性、丰富的表面官能团及良好的亲水性等优点，有望通过掺杂提高PEDOT∶PSS的电导率。本文采用HCl/LiF刻蚀法制备了单层Ti₃C₂T_x纳米片，并将其掺杂到PEDOT∶PSS中制备了蓝色QLEDs器件。结果表明，当Ti₃C₂T_x的掺杂量为0.1%时，器件的最大外量子效率和电流效率分别达到15.2%和14.42 cd·A^-1，与参比器件的9.09%和7.68 cd·A^-1相比，分别提高了67%和87%。Ti₃C₂T_x纳米片对蓝色QLEDs器件性能提升有两个作用，一方面诱导PEDOT的构型从苯态到喹啉态转变，形成紧密堆积的大尺寸PEDOT纳米晶，并将这些导电纳米晶连接起来，构筑了新的电荷传输通道，提高了复合层的电导率；另一方面，通过掺杂实现了PEDOT∶PSS功函数的调节，提升了蓝色QLEDs器件的空穴注入效率。

力致发光材料具有将机械刺激转变为光子发射的独特性能，因而被广泛应用于结构健康诊断、信息防伪、生物工程和电子皮肤等力学传感领域。然而，已报道的力致发光材料种类有限，且对于力致发光相关的载流子跃迁过程理解不够深入，极大地限制了其开发和应用。针对上述问题，本工作开发了新型混合阴离子型力致发光材料Ba₂Gd（BO₃）₂Cl∶Ln（Ln = Eu，Tb，Dy，Sm，Nd），并探究了其光致发光性能与相关载流子跃迁过程。该研究通过X射线粉末衍射、扫描电子显微镜、多模式激发下的稳态和瞬态光谱技术研究了样品的结构形貌、光致发光与力致发光性能，提出了该材料可能的发光机制。研究结果表明，在280 nm光激发下，Ba₂Gd?（BO₃）₂Cl∶Eu的发射峰位于536，594，613，625，654，695，710 nm，第一个宽峰和其余窄峰分别对应于Eu²⁺和Eu³⁺的发射，即掺杂的Eu呈现混合价态。而在机械作用下，Ba₂Gd（BO₃）₂Cl∶Eu几乎只表现出Eu³⁺的橙红光发射，这可能是由于机械作用优先激发基质中的价带电子所致。此外，Eu的光致发光和力致发光最佳掺杂浓度均为2%。在0.23~1.55 mJ的冲击能下，力致发光强度与冲击能量呈线性关系。通过改变掺杂镧系元素的种类，实现了力致发光从可见光区域到近红外区域的拓展。这项工作为解释混合价态材料的力致发光机制提供了思路，并在应力传感领域呈现出潜在的应用价值。