与传统的仅能生成光轴方向的球形聚焦光斑不同，本文提出了一种在4Pi聚焦系统中通过反聚焦偶极子天线辐射场产生具有规定空间方向和间距的球形聚焦光斑的方法。该方法是将规定好长度和极化方向的空间偶极子天线置于4Pi聚集系统的焦点处，通过逆问题解析求解出生成球形聚焦光斑的物镜瞳孔面上的输入场。然后使用瞳孔面处的场，并选择合适的偶极子天线长度，就能获得球形聚焦光斑。数值结果表明，创建的球形聚焦光斑的空间方向与设置的偶极子天线的极化方向一致，球形聚焦光斑之间的距离也等于偶极子天线的长度。本文提出的方法比传统方法更灵活，可以创建具有规定空间位置的球形聚焦光斑，这对空间任意位置捕获纳米粒子具有很大的应用价值。

涡旋光束的中心为相位奇点，通常涡旋光束的涡旋轴（即相位奇点）位于光束的光轴上。但是考虑误差的存在，实际生成的涡旋光束会存在一定程度的离轴，因此研究离轴的相位奇点光束的特性具有重要的应用价值。基于Richards-Wolf矢量衍射理论，研究了具有非对称离轴双相位奇点的径向偏振高斯光束经过大数值孔径透镜后的强聚焦特性，主要分析了离轴距离和涡旋拓扑荷数对聚焦场的影响。研究结果表明：两个离轴距离和对应的两个拓扑荷数的相对大小对聚焦场光强的最大值偏移方向的影响是一致的；高阶涡旋光束的聚焦场会发生暗核分裂现象，出现多个暗核，暗核的个数等于两个涡旋拓扑荷数的相加值再减1。

主要研究了调制入射光场的衍射光学元件(DOE)对聚焦场的影响。以贝塞尔-高斯光束为例,利用Richards-Wolf矢量衍射积分理论,分析几种不同DOE结构调制的径向偏振光束的4π聚焦场。数值模拟结果表明径向偏振光束经DOE调制后的4π聚焦,在焦平面附近形成了具有潜在应用价值的多光球结构,并且发现形成的光球的个数与DOE的环数有关,而DOE的透射函数对其影响较小,且所形成光球的个数会随着DOE结构环数的增加而增加。

为了提高局部放电光纤检测的灵敏性，提出了一种用于局部放电检测的梁支撑膜结构光纤法布里-珀罗(F-P)传感器的设计方案，在不同的几何参数下对传感器的响应频率、灵敏度、线性范围及平坦度进行了仿真分析。仿真结果表明：与圆膜结构的光纤F-P传感器相比，梁支撑膜结构光纤F-P传感器不仅显示出较高的灵敏度(在某些情况下灵敏度提高了将近3倍)和更宽的频率工作范围，而且改善了传感器的线性范围和平坦度。

基于Richards-Wolf矢量衍射积分理论,利用角向偏振涡旋光束经高数值孔径透镜强聚焦后有径向分量的结论,研究了经衍射光学元件调制的角向偏振拉盖尔高斯光束的4pi聚焦特性。模拟结果显示,通过选取合适的拦截比、数值孔径及衍射光学元件的外环结构三个参量,可以在焦平面上得到平顶光场。在此基础上,通过改变三个参量中的任意一个参量,平顶光场结构均会向光针结构转变;通过改变三个参量中的任意两个参量,会获得很好的暗通道结构,并且获得的暗通道结构基本相同。这些特殊焦场结构之间的转换在光学微操控领域具有潜在的应用价值。

依据角向偏振涡旋光束强聚焦有径向分量的结论,修正了角向偏振涡旋光束的强聚焦场公式,重新研究了高阶角向偏振拉盖尔高斯涡旋光束经过衍射光学元件和高数值孔径透镜后的强聚焦特性。结果发现,在焦平面附近获得了新的三维三光链结构(沿着光轴方向的一条三维主光链和对称的两条三维傍轴次光链),详细分析了入射光束缔合拉盖尔多项式的径向模数和光束的拦截比、衍射光学元件结构和聚焦系统的数值孔径对三光链的影响。结果表明,径向模数的改变会破坏三光链结构,通过调控衍射光学元件结构和拦截比可以重新获得对称性更高的三光链结构,从而实现对三光链结构的高自由度调控。

利用甲烷(CH4)气体分子在16 μm的吸收特性, 使用中心波数为6 04696 cm-1的蝶形分布反馈式(DFB)激光器和自制的大内径光声池, 设计了一款紧凑高灵敏的CH4气体传感器。 为了进一步增强输出光声信号强度, 一个具有高反射率的平面镜放置在光声池后, 使透射光束被反射后, 二次通过光声池, 增强了光与被测气体的作用距离, 使光声信号提高了19倍。 传感器各项参数, 包括调制频率、 调制深度及气体流速被优化。 在标准大气压和1 s的积分时间下, 该传感器最终获得的探测灵敏度为021 ppm, 1σ归一化等效噪声系数(NNEA)为21×10-8 cm-1·W·Hz-1/2。 该甲烷传感器使用性价比高的DFB近红外激光二极管作为激发光源, 装置简单, 成本低廉可以满足大气环境检测、 矿井瓦斯监测、 工业过程控制及无创伤医疗诊断等领域的需求。

设计了衍射光学元件，利用该元件对入射的角向偏振拉盖尔-高斯矢量光束进行调制，在高数值孔径聚焦透镜的焦平面附近获得了沿光轴方向成对的三维多点光俘获结构--双光链。分析了入射光束的参数（缔合拉盖尔多项式的拓扑荷数和径向模数以及光束的拦截比）、衍射光学元件的内外环结构和聚焦透镜的数值孔径对双光链的影响。结果表明，改变拓扑荷数和径向模数会破坏双光链结构，通过调节拦截比和衍射光学元件的结构可重新获得双光链，从而实现对双光链结构的高自由度控制。

基于矢量德拜理论，研究了贝塞尔-高斯径向偏振光束经过衍射光学元件(DOE)和高数值孔径(NA)透镜组成的光学系统后经介质分界面的强聚焦特性。设计DOE 的参数对入射的贝塞尔-高斯径向偏振光束进行调制，在聚焦场中能得到沿光轴方向的三维多点光俘获结构-光链。研究结果表明，入射光束的拦截比(即透镜孔径半径与入射光束束腰半径比)、数值孔径和聚焦场介质折射率都会影响光束的强聚焦特性。当光束的拦截比增大到一个值时，聚焦场的光链会转变成暗通道，并且在不改变暗通道宽度的情况下，暗通道的长度会随着介质折射率的增大而增长。

利用传输矩阵方法研究了由电压调制形成的三元 周期序列石墨烯超晶格的透射率禁带。作为入射电子能量函数的透射率会形成多个透射禁带。电子 隧穿经过石墨烯超晶格形成的透射率禁带,可以由石墨烯超晶格的周期数、电子的入射角、势垒的 高度和宽度来调节。石墨烯超晶格的这些性质在设计石墨烯多通道电子滤波器等电子器件中有潜在的应用价值。