为研究纳米厚度有机薄膜生长过程中有效导电层的判定方法，揭示反射光谱蕴含的薄膜生长机理，基于多相膜层等效结构和光学菲涅耳方程建立了材料光学系数和膜层厚度为参数的差分反射光谱数学模型，提出了依据相对拟合误差的拟合度评价方法.通过分析室温真空环境纳米厚度并五苯薄膜在Si/SiO₂基底上生长过程的差分反射光谱，发现采用四相膜层结构和并五苯薄膜晶体结构光学系数拟合的差分反射光谱与实验数据符合良好，确认并五苯分子主要以薄膜结构的形态进行生长，膜厚生长速率约为0.2 nm/min.该方法避免了反射光谱中多膜层结构产生的干涉信号对生长机理分析的影响.更为重要的是，相对拟合误差随生长时间的变化趋势与由薄膜构建的场效应管结构的电学特性呈现出明显的相关性，不仅反映了生长过程中薄膜成膜模式的演变趋势，还清晰地揭示了有效导电层的形成过程，为光谱法研究薄膜生长机理和无法进行电学测试的条件下监测薄膜电学特性提供了新手段.

针对同步挤压小波变换（SST）在提取混沌背景下非平稳谐波信号时的不足，提出一种改进的自适应最优累加频率范围的SST非平稳谐波信号提取方法.首先根据非平稳谐波信号小波系数与小波基支撑区间的关系，推导非平稳谐波SST提取时自适应累加频率范围的计算公式；然后，利用最小能量误差准则确定自适应累加频率范围公式中参数的最优值，从而实现非平稳谐波信号的SST自适应提取.分别在Lorenz混沌背景和Duffing混沌背景下对不同类型的非平稳谐波信号进行了实验分析，实验结果表明，该方法能有效地从含噪混沌背景中提取非平稳谐波信号，与经典的单一累加频率范围的SST方法相比，提取结果在均方误差和相关系数两方面都有较好的提高.

在许多精密科学实验和测试中，对地面垂直振动的有效隔离影响着实验结果和测试结果的精度.本文提出一种全新的两级摆杆结构的超低频垂直隔振系统，在原理分析的基础上，设计并实现了该系统的样机.两根水平摆杆放置在同一竖直平面，绕各自铰链旋转，上摆杆通过普通弹簧悬挂于基座，下摆杆通过零长弹簧悬挂于上摆杆.系统通过光电探测方法检测两根摆杆的夹角作为误差信号，经过闭环控制将反馈力作用于上摆杆，使两根摆杆的夹角为零.零长弹簧悬挂点的位置与系统刚度有着密切关系，通过精细地调节弹簧悬挂点的位置，合理地设置控制参数，可以实现一个本征频率低至0.01 Hz的系统.理论上，该系统相对于被动式垂直隔振系统具有更好的隔振效果和抗干扰能力，相对于传统的主动式垂直隔振系统体积更小，结构更简单，有望应用于精密物理实验和科学研究当中.

本文将交叉反馈半导体环形激光器（SRL）产生的两路混沌信号平行单向注入到从激光器对应的模式中，构成了宽带混沌激光生成方案.通过建立速率方程，数值分析了失谐频率和注入强度对系统带宽及安全性影响.利用强度时间序列的频域变化规律揭示了带宽增强的物理原因，并且对增强区域不对称进行了解释.仿真结果表明：两路混沌信号的带宽增强路径相似.在非注入锁定区域，选择较高失谐频率以及适当的注入强度可以实现两路信号的带宽以及不可预测度同时增强.通过分析混沌信号的光谱可知注入混沌光与从激光器激光之间的拍频作用产生的高频振荡是导致带宽增强的物理原因.主激光器发生红移现象导致带宽增强区域呈现不对称，并且负失谐频率下容易实现带宽增强.非对称注入强度使得注入锁定区域缩小，拓宽了高注入强度下带宽增强范围.

基于分数傅里叶变换（FrFT）关系，推导了像散正弦-高斯光束场分布的解析表达式，利用所得结果和数值方法研究了像散正弦-高斯光束在FrFT平面上的光强分布与位相特性.理论和数值分析结果都表明：像散的存在使得正弦-高斯光束在FrFT过程中从初始输入具有边缘位错的多斑花样转换为具有涡旋的暗空心椭圆花样，且其拓扑荷指数为一，而在这种转换中像散起着关键控制作用.此外，适当选择光束参数与FrFT系统结构参数，暗空心椭圆花样的长轴可以是短轴的百余倍，因此利用这一方案可获得相当细长的暗空心椭圆光束.

基于频域和时域的光谱学分析，系统地研究了Tm³⁺掺杂的NaYF₄纳米棒的荧光选择输出特性及荧光输出与激光脉冲宽度、激发波长、抽运功率及环境温度的依赖关系.结果表明：与其他因素相比，输出光色强烈地依赖于激光脉宽.通过合适的脉宽激光激发，在NaYF₄：0.5 mol% Tm³⁺纳米棒中获得了强烈的单带近红外荧光发射，该波段荧光在深层组织成像方面具有极大应用优势.基于多声子无辐射弛豫理论和荧光动力学过程，揭示了脉冲宽度调控的单带近红外荧光的输出机理，其机理为多声子弛豫辅助的下转换荧光和激光脉宽调制的上转换荧光之间的竞争，该研究为光谱调控提供了新的理论依据和途径.

对Nd，Y：CaF₂晶体作为激光放大器的增益介质进行了报道.研制了一台采用激光二极管面阵五向水平侧面抽运φ5 mm×70 mm Nd，Y：CaF₂的激光放大器，对其进行了实验研究.测量了Nd，Y：CaF₂晶体的吸收谱、发射谱、以及放大器的荧光分布.在相同的抽运功率下，测量了Nd，Y：CaF₂与Nd：Glass放大器分别工作在10 Hz和1 Hz重复频率时的小信号增益，在抽运功率为9.63 kW时，Nd，Y：CaF₂放大器的小信号增益达6.12，为Nd：Glass的1.5倍.与Nd：Glass相比，Nd，Y：CaF₂晶体的重复工作频率不仅大大提高，而且增益性能也更强.测量了种子光和经Nd，Y：CaF₂放大器后的光谱，能量放大前后光谱几乎无变化.

本文应用基于密度泛函理论的第一原理方法，研究了NiAl金属间化合物中Ni空位对杂质C元素的多重俘获.研究结果表明：在Ni空位存在时，单个C原子最易于存在于空位中心附近的富Ni八面体间隙位置且与邻近的Ni原子和Al原子之间存在共价键形式的相互作用.多个C原子在NiAl中倾向于以“Sequential”的方式被Ni空位俘获，进而形成C_nV_Ni（n=1，2，3，4）团簇.通过电荷密度和差分电荷密度分析得到，当Ni空位俘获多个C原子后，C原子之间有着优先于自身成键的特性.进一步，我们应用热力学模型计算了温度对于C_nV_Ni（n=1，2，3，4）团簇浓度及空位浓度的影响.研究表明本征Ni空位的浓度会随着温度的升高而升高.在NiAl金属间化合物中，大多数的杂质C原子会被Ni空位俘获而不是存在于远离Ni空位的八面体间隙位置.由于C原子被Ni空位俘获的过程是一个放热过程，使得体系温度升高，因此会进一步激发更多的Ni空位产生.但是在一定的温度范围内（温度小于700 K时），Ni空位均以C_nV_Ni团簇的形式存在.

TiO₂是一种新型的第三代半导体材料，具有重要的应用价值.Cu离子掺杂单晶金红石TiO₂，可以改善TiO₂对光谱的响应范围，提高转化效率.本文利用第一性原理分别研究了Cu离子填隙、Cu替代Ti、氧空位、钛空位以及含有复合缺陷时金红石TiO₂结构及其相应光学性质的变化.结果表明，金红石的价带顶主要由O 2p轨道贡献，导带底主要由Ti 3d轨道贡献；掺杂Cu离子后会在能隙中产生两条新的杂质能级；Ti空位使得晶体费米能量降低，在价带顶产生新能级；O空位使得费米能量升高，在导带底产生新能级，表现出n型半导体性质.通过对含有复合缺陷的晶体电子结构的分析，得到同时含有O空位和Cu填隙时对晶体在可见光范围的吸收影响最大.

结合欧空局推广需求，以及国内加速器和国际加速器比对的愿望，将欧空局单粒子翻转监测器（Europe space agency single event upset monitor，ESA SEU Monitor）成功应用于国内串列重离子加速器束流标定.通过和欧洲主要加速器的数据结果进行比对，分析系统内部单粒子翻转物理位图，验证了串列加速器在重离子束流监测技术方面的准确性.结合多方试验数据，观察到在低LET （linear energy transfer）单粒子翻转截面曲线亚阈区，相同LET值不同能量重离子引起ESA SEU Monitor翻转截面相差1–3个量级.采用基于试验数据的方法，确定了器件灵敏体积的几何尺寸、临界电荷以及收集效率，通过蒙特卡罗仿真揭示了ESA SEU Monitor单粒子翻转能量相关性的物理机理.同时针对试验中低LET值倾斜角度时，ESA SEU Monitor存储阵列中不同模块单粒子翻转所表现的敏感性差异，基于对器件结构的分析和计算验证，表明低LET重离子倾斜入射时，离子穿过不同模块灵敏区上方层间介质的差异是引起单粒子翻转角度相关性的根本原因.

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法对Ti₃（Sn_xAl_1-x）C₂（x=0，0.25，0.5，0.75，1）固溶体的晶格结构、结构稳定性、电子结构、力学和热学性质进行了系统的理论研究.研究结果表明：Ti₃（Sn_xAl_1-x）C₂固溶体具有金属性，都是热力学和力学稳定的脆性材料；Sn原子掺杂能在一定程度上提高材料的力学性能，当Sn原子掺杂浓度为0.75时有最大的体积模量，而掺杂浓度为0.5时有最大剪切模量.此外，Ti₃（Sn_xAl_1-x）C₂固溶体都具有较高的熔点和德拜温度，其中Ti₃AlC₂，Ti₃（Sn_0.25Al_0.75）C₂和Ti₃（Sn_0.5Al_0.5）C₂在室温下的晶格热导率均能达到40 W/（m·K）以上，是良好的导热性材料.

针对极端环境下耐高温和耐辐照半导体核探测器的研制需求，采用外延层厚度为100 μupm的4H碳化硅（4H-SiC）制备成肖特基二极管探测器，研究了该探测器对²⁴¹Am源γ射线的能谱响应.采用磁控溅射金属Ni制备了肖特基二极管的欧姆接触和肖特基接触，利用室温电流-电压和电容-电压测试研究了二极管的电学特性.欧姆特性测试表明，1050℃退火时，欧姆接触特性最好.从正向电流-电压曲线得出二极管肖特基势垒高度为1.617 eV，理想因子为1.127，表明探测器具备良好的热电子发射特性.从电容-电压曲线获得二极管外延层净掺杂浓度为2.903×10¹⁴ cm^-3，并研究了自由载流子浓度在外延层中的纵向分布.在反向偏压为500 V时，二极管的漏电流只有2.11 nA，具有较高的击穿电压.测得在-300 V条件下，SiC二极管探测器对能量为59.5 keV的γ射线的能量分辨率为9.49%（5.65 keV）.

在Holstain-Primakoff表象中研究了各向异性海森伯自旋链模型.在半经典近似条件下，应用相干态求出了明孤子和暗孤子的精确解析解.结果表明：这些解可以用第一类和第三类椭圆积分来表示.内容丰富的暗孤子解是本论文的创新之处.

本文采用纳米EuB₆和Eu₂O₃粉末为激活剂原料，提出了一步法和两步法，在常压条件下制备获得了CaAlSiN₃：Eu²⁺红色荧光粉.对不同掺杂Eu浓度（2%–10%）的样品进行了晶体结构、形貌、发光性能的分析研究.根据能谱与X射线衍射图谱（XRD）分析可知，两步法合成的样品随Eu浓度的增加晶胞体积会逐渐增大，且样品中B的含量增加；而一步法合成的样品随Eu浓度增加晶胞体积先增大后减小，且B含量相对上面的样品含量较少，O含量却较大.另外，在460 nm蓝光激发下，两步法合成的样品（纳米EuB₆掺杂）的发射最强峰在652–680 nm范围，而一步法合成的样品（纳米Eu₂O₃掺杂）的发射最强峰只在630–637 nm范围，且前者的荧光相对强度都强于后者.结合XRD以及荧光光谱数据可以认为两种常压氮化制备方法都会让B元素引入到基质中，B的引入不但降低基质中O的含量，而且改变Eu²⁺离子的晶体场环境从而调节CaAlSiN₃：Eu²⁺荧光粉的发光峰位.结合绿光发射荧光粉和纳米EuB₆掺杂的Ca_0.94AlSiN₃：0.06Eu²⁺荧光粉在蓝光芯片激发下可以获得色温在3364 K，显色指数可以达到91的暖白发光二极管器件.本实验采用的方法简单，避免使用昂贵复杂的气压烧结设备以及还原性气体烧结设备，有望实现工业化应用以及降低生产成本.

纳米颗粒及其阵列结构的光学性能与颗粒本身的表面等离子体共振及周期结构参数密切相关.本文根据Mie散射理论和多极子振荡理论，研究了光在银球型纳米颗粒及阵列中的传输性质.对于单个纳米颗粒，当颗粒半径小于50 nm时，消光峰由电偶极子共振产生；当半径大于50 nm时，除电偶极子振荡产生的消光峰外，在短波处将出现由电四极子共振产生的消光峰，且两种极子的共振频率随颗粒半径的增加而减小.由电偶极子共振产生的消光峰位置的理论计算结果与实验结果相符合.对于由球形颗粒组成的无限大二维周期阵列，消光峰主要由单个颗粒产生的消光峰和Wood-Rayleigh反常衍射造成的消光峰组成.通过控制纳米颗粒的尺寸、形状以及阵列的周期、排列方式，可以调节两种极子的共振峰位.本文的结果将对设计具有特定光学性能的纳米结构产生重要的实际意义.

表面增强拉曼在复杂的生物体系检测方面具有极高的灵敏度，因而具有广泛的生物化学应用前景.本文通过时域有限差分方法对不同形貌金薄膜的拉曼表面增强情况进行了研究.在实验上通过电子束曝光和软模板压印技术制备了相应的衬底并对常规目标物胱氨酸及三聚氰胺的拉曼光谱进行了测量.结果表明，单位面积内结构越复杂，表面增强拉曼越明显.表面增强拉曼散射光谱和场分布特性的计算与实验较为符合，为进一步使用表面增强拉曼作为研究手段提供指导和理论依据.