轨道角动量作为一种新的、安全和高效利用频谱的传输复用方式引起了科学界的关注。基于均匀圆阵列, 设计了一种工作在X波段的宽带多模轨道角动量天线。该天线由旋转排列的三角形均匀圆阵列组成, 其特点是正负模式数的产生除了与馈电方式有关外, 还与均匀圆阵中阵元的旋转方式相关。仿真结果表明, 在X频段该天线-10 dB带宽范围为9.33~10.37 GHz, 带宽达到1.04 GHz, 总的效率为52%; 在相同阵元数量的情况下, 该天线产生的模式数多于矩形贴片天线。该天线具有馈电网络简单、带宽宽和模式数大等优点。

在辐射成像系统的设计研发中, 经常需要计算系统的各项物理性能指标。为了提升产品研发的效率, 同方威视联合清华大学, 基于蒙特卡罗程序包Geant4, 研发了国内首套具有自主知识产权的辐射成像系统模拟软件NucRPD(NUCTECH Radiography Performance Design Tools), 其能够快速、精确地模拟系统的各项性能指标。该软件对常用的一些辐射成像系统进行了参数化建模, 用户通过修改软件界面上的少量参数, 就可以快速建立各类辐射成像系统的几何体、源项、物理模型和统计量, 然后在服务器上以并行计算方式完成模拟计算, 能在较短的时间内模拟出系统的性能指标, 并给出直观的图形帮助用户深入理解模拟结果。NucRPD的模拟结果经过了大量的实验验证, 其剂量场分布和物理指标等模拟结果和实验结果符合得很好。NucRPD已经应用于同方威视辐射成像系统产品的设计研发, 在产品的物理指标优化和辐射防护优化中发挥了重要作用。

为了研究激光熔覆过程中熔池内的温度场特征及其对凝固后的微观组织的影响, 建立了描述熔覆过程的对流扩散固液相变统一的数学模型, 模拟了激光熔覆过程中熔池在不同时刻的温度场和速度场, 计算出熔覆层内不同位置的温度梯度、冷却速度和凝固速度。计算结果表明, 熔池内液体的流动对熔池内温度场分布有较大影响。距离熔覆层顶部越远, 冷却速度减小, 温度梯度增大, 凝固速度减小。这种温度场特征决定了从熔池底部到顶部的凝固组织类型及组织大小的变化特征, 并据此对熔覆层的凝固组织类型进行预测, 与实验结果吻合良好。

分子振动谱广泛应用于化合物分子结构的测定、未知物的鉴定以及混合物成分的分析，是传感识别物质性质和特征的重要指纹。提出了基于石墨烯带阵列的分子振动谱传感模型，并采用数值仿真方法对模型进行了验证。结果表明，通过调节石墨烯带的化学势、阵列周期以及占空比，可以灵活地调控石墨烯带阵列的透射带宽；通过在检测区填充物质，发现透射谱的形状与被检测物的分子吸收谱一致，表明该传感器能够识别物质分子的振动指纹；透射谱的形状对检测区域填充物质的厚度不敏感，传感器的稳健性好。

证明了两块表面具有亚波长凹槽结构的金属板平行放置构成的褶皱金属结构平板波导与等离子体辅助平板波导存在相同点和不同点；并且设计了凹槽深度渐变的对称褶皱金属结构平板波导来实现传输模和表面模的相互转换。研究表明，由于在波导中间区域场分布和能量主要集中在褶皱表面，放入其中的理想导体圆柱不影响其场分布和传输特性，即深度渐变的对称褶皱金属结构平板波导具有隐形效应；褶皱金属结构平板波导阻带上边带截止频率随放入褶皱内样品的介电常数呈线性变化，能够用于介质传感；以柴油、液态石蜡和橄榄油等样品的检测为例，证实了其太赫兹传感特性。该工作对研究褶皱金属结构平板波导的应用，探索其在太赫波的传输、调控以及太赫器件研制等方面具有指导意义。

超材料放大装置能够将物体任意放大，其在小目标识别和检测中有广泛的潜在应用。为了促进该装置的实际应用，基于变换光学原理提出了一种新的简化材料参数设计方法。该方法通过选择适当的变换方程，使得材料参数的径向和角向分量为常数而仅轴向分量随半径变化，同时还能确保装置的外边界与自由空间阻抗完全匹配。全波仿真结果验证了该方法的有效性和放大装置的良好性能。此外，分析了材料损耗和参数抖动对装置性能的影响，扩展了变换光学理论的应用，为超材料器件的参数简化提供了一种新的、可行的解决方案。

基于二维LC网络, 设计了一种零电磁材料聚焦器, 导出了该器件等效节点电压分布矩阵, 研究了聚焦区域为三角形、四边形、六边形、八边形的电磁聚焦器, 并在此基础上仿真了形状和尺寸对其聚焦特性的影响。结果表明：当聚焦区域小于两倍波长时, 该器件的特性与聚焦区域的形状无关；当聚焦区域逐渐增大时, 焦点的能量也随之增强；当聚焦区域大于两倍波长时, 主焦点逐渐消失, 同时将产生多个副焦点。

基于变换光学方法，导出了椭圆形电磁聚焦器的介电常量和磁导率的分布，并用有限元分析软件COMSOL进行了证实.仿真了椭圆形电磁聚焦器聚焦区域面积大小和电磁参量偏离理论值对其聚焦特性的影响，结果表明：聚焦区域越小，电磁聚焦越强；超材料损耗小于或等于0.01不影响聚焦特性；当椭圆形变化为圆形时，其聚焦特性与Rahm等人获得的圆形聚焦器的结果一致，证明了本文建立电磁模型的有效性.

基于时域有限差分方法,建立了光波辐射下正三角形、正四边形和正六边形无耗异向介质柱的二维电磁模型.分析了其近场特性,并对模型的有效性进行了验证.仿真结果表明:即便对于εr和μr都很小且无耗的正多边形异向介质柱,当平面光波沿正多边形顶角角平分线方向传播时,在异向介质柱内不会发生电磁聚焦.