为设计单个非球面扩束(缩束)透镜，由光线折射定律矢量形式和对非球面折射特性的理论分析，提出了一种设计单个非球面扩束(缩束)透镜的新方法—全面学习策略的粒子群算法，并用此方法设计出了线度小于170 mm缩束14.16倍的单个非球面缩束透镜，用光线追迹方法模拟了缩束或扩束过程。模拟结果表明，单个非球面透镜可以起到缩束或者扩束作用，全面学习策略的粒子群算法可用于非球面缩束透镜的设计。单个非球面透镜作为扩束镜使扩束系统结构大大简化，大大提高了出射光斑的均匀性。

提出了一种用于LED准直照明的非球面透镜设计方法，该方法产生于对非球面几何光学特性分析和粒子群优化算法优越的寻优能力。用该方法设计了一个基于点光源准直的出光口径30 mm的非球面透镜，为了证明准直透镜的准直效果，用光线追迹方法模拟了准直透镜对于点光源的准直过程。模拟结果显示，点光源经准直透镜后出射光线的最大半视场角为0.004 60，0.8 mm×0.8 mm LED光源经准直透镜后出射光线的最大半视场角为4.91°，表明了粒子群算法用于非球面准直透镜设计的可行性和有效性。与现有的设计方法相比，该设计方法意义更直观，实施更简单。

提出了一种组合非球面反射型太阳能聚光镜并给出了设计方法。聚光镜由38片非球面组成,每一片非球面都由一组特定系数C,a2,a4,a6,a8,a10的偶次非球面方程决定，是此特定非球面的一部分。根据非球面方程和光反射定律矢量形式,导出了非球面内壁上太阳反射光束的方向矢量与非球面系数C,a2,a4,a6,a8,a10的关系,适当地选择这些非球面系数,即适当地调整非球面面型，可以使太阳反射光束具有特定的方向矢量,使入射到非球面内壁上的太阳光束反射后全部聚焦在某一特定的区域内,形成小的光斑。每组特定系数都用粒子群优化算法求得,并经计算机模拟和实验证明其聚焦效果。聚光镜的光束压缩比为330∶1,其聚焦光斑可作为一种高温热源,而此聚光镜可以用在太阳能加热装置中。

基于分形理论，采用蒙特卡罗方法对随机分布的混合凝聚粒子的空间结构进行了仿真模拟。利用Bruggeman有效介质理论得到了占有不同体积份额黑碳的内混合凝聚粒子的等效复折射率。采用离散偶极子近似方法对随机分布混合凝聚粒子在内外混合状态下的吸收、散射和消光效率因子等消光特性参量进行了数值计算，深入探讨了混合方式、容积含量、入射波长以及基本粒子粒径和数量对混合凝聚粒子消光特性的影响规律。通过将所得数值结果与T矩阵方法的数值结果进行比较发现，两种数值方法计算的结果非常相近。结果表明，随机分布混合凝聚粒子的散射效率因子对混合方式非常敏感，消光效率因子对混合方式较敏感，而吸收效率因子对混合方式不敏感。随着凝聚粒子尺度参数的增大，混合方式对散射和消光效率因子的影响逐渐显著。内外混合方式下，随着黑碳体积比的增大随机分布混合凝聚粒子的吸收、散射和消光效率因子均近似线性增大，并且增大的幅度随着粒子尺度参数的增大而增大。

利用Bruggeman有效介质理论得到了占有不同体积份额杂质的团簇粒子的等效复折射率.采用离散偶极子近似方法对包含有不同化学成分的随机取向团簇粒子的散射相函数、消光、吸收、散射效率因子、单次散射反照率以及不对称因子等辐射特性参量进行了数值计算，深入探讨了掺杂量对随机取向团簇粒子辐射特性的影响.研究表明，掺杂对随机取向团簇粒子的辐射特性产生显著的影响，并且此影响随着粒子尺度参量的变化而变化.这一工作对研究多种化学成分组成的混合气溶胶的辐射及气候效应具有重要科学价值.

利用离散偶极子近似方法对粘附不同粒径、不同化学成分大粒子的复杂凝聚粒子的光散射特性进行了研究，数值计算了复杂凝聚粒子的散射强度和线偏振度随散射角的分布规律，分析了大粒子的粒径、化学成分对整个凝聚粒子光散射特性的影响。研究表明，凝聚粒子中大粒子的粒径和化学成分对整个凝聚粒子的光散射特性影响较大，此影响随着大粒子粒径的增大变得更加明显。