中文摘要：

半导体材料缺乏吸收区折射率的物理模型，缺乏温度场、强电场，以及应力场环境下的折射率模型，阻碍了半导体热光器件和传感器在工业监测，尤其是针对电力系统和电力设备监测应用的发展。项目从固体材料中外电场与电子相互作用的微观势表达式出发，通过修正吸收区中，温度场、强电场作用下半导体材料的介电常数和禁带宽度表达式，建立折射率的物理表征模型；提出利用光纤端面镀膜结合光纤白光和偏振干涉技术，测量获得一套常温（-20~120℃）、吸收区半导体锗（Ge）的折射率-温度系数的准确数据；建立强电场环境，实验研究折射率和吸收系数的温度效应，建立强电场中Ge薄膜反射率-温度系数模型；最后，制作Ge薄膜光纤温度传感单元，运用建立的Ge薄膜温度传感模型，实现半导体薄膜温度传感器在高压环境中的应用；尝试建立应力场折射率模型并推广至其他半导体材料。

结论摘要：

本项目旨在针对半导体材料缺乏吸收区光学参数随温度场、压力场和电场变化的物理表征模型，缺乏可参考实验数据的困境，探索建立温度场和强电场环境下半导体材料的折射率物理模型；并实验获得准确的第一手吸收区半导体Ge的折射率—温度系数数据，填补半导体材料光学参数的空白；从而建立以热光效应、吸收系数的温度和电场效应、薄膜干涉效应为基础、以温度为变量的半导体薄膜反射率函数；建立半导体Ge薄膜-光纤温度传感模型。制作Ge薄膜—光纤温度传感单元，提供一套较完整的电力设备温度监测光纤传感方案，并获得较高测温精度。在过去4年的研究中，通过在已有折射率模型基础上引入激子效应，已经完成温度场、半导体折射率物理模型和光纤-薄膜温度传感模型的建立。搭建实验测试平台，论证所建立模型能够准确表征吸收区Ge材料的折射率-温度特性。在实验研究过程中，我们发现了吸收边附近半导体热光系数的反常色散现象，并运用新建立的理论模型对此现象进行了解释；采用原位退火法解决了镀膜工艺对实验结果造成的误差。理论分析和实验数据完美匹配，从又一个侧面证实了所建立理论模型的正确性。并初步建立了强电场中折射率模型。 项目进展过程中，尝试引入第一性原理计算方法，从材料物性出发拓展建立了压力场中折射率-压力模型，发展了敏感材料领域的理论分析模型。利用特殊设计的压力容器和光纤压力传感系统，在0-20MPa范围内对锗的折射率—压力系数进行了测试，实验测试结果与理论计算在量级上吻合，但仍然存在一定的偏差。进一步的分析认为类似与温度场测量中存在的问题，此偏差与镀膜工艺相关，验证实验仍在进行中。利用光纤端半导体薄膜传感器分别结合恒温炉、压力容器、高压升压装置，搭建了光纤温度、压力和强电场实验装置，测定了-40~150℃区间锗的折射率-温度系数，精度达10^-3；测定了0-20MPa环境中的锗薄膜折射率-压力系数，精度达10^-3，测试数据填补了该领域半导体实验数据的空白。强电场中折射率-电压系数的测试取得了初步结果。初步数据表明进一步提高测试精度的可行性。目前，已提供电力传输母线和配电柜用测试光纤温度传感器样机20余套；共计发表SCI和EI检索标注相关学术论文14篇，发明专利获授权1项，公开1项；硕士毕业论文4本；最新的研究结果正在整理中，预期将有3篇以上的SCI检索论文发表。