金属纳米颗粒具有局域表面等离子共振效应,由于其独特的光学特性、易控的表面化学能力和优良的生物相容性,被广泛应用于生物成像领域。针对旋转对称金纳米颗粒(金纳米旋转椭球、纳米圆柱和纳米棒)在生物成像中的应用,利用T矩阵方法和介电函数尺寸修正模型,研究了旋转对称金纳米颗粒的共振后向光散射特性,获得了最优后向光散射特性及对应的最佳尺寸参数。考虑了生物成像中使用的三个典型激发波长(830,840,900 nm),结果表明,纵横比为3.7、长度为146 nm的金纳米旋转椭球在入射光波长900 nm处具有最优的后向光散射特性。此外,分析了入射光波长和生物组织折射率对优化结果的影响,结果表明,优化后的三种旋转对称金纳米颗粒的体积后向散射系数和尺寸参数随入射光波长的增大而增大,随组织折射率的增大而减小。最后给出了体积后向散射系数大于其最大值的90%时对应的尺寸参数范围。研究结果为三种旋转对称金纳米颗粒在生物成像中的应用提供了理论指导。

由于大气中气溶胶垂直分布复杂,常用的梯度法和小波协方差变换法在边界层高度自动连续识别方面仍具有较大的不确定性。选取在浙江金华两个时间段内观测得到的双波长激光雷达数据,将二维矩阵方法应用于复杂大气垂直分布情况下边界层高度的反演,从距离和时间两个维度优化边界层高度的反演结果。研究结果表明,在气溶胶垂直分布出现多层结构的情况下,小波协方差变换法反演的边界层高度有较大的误差,而二维矩阵方法具有一定的优势。在532 nm波长基于二维矩阵方法和小波协方差变换方法反演的边界层高度与1064 nm波长基于小波协方差变换方法反演的边界层高度的相关系数分别为0.87和0.37。边界层高度与地面温度变化趋势一致,表明边界层高度的反演结果是可靠的。二维矩阵方法为进一步改善无云情况下(3 km以内无云层出现)激光雷达自动连续识别边界层高度可靠性提供了很好的借鉴与参考。

理论设计对于高性能太阳能光热转换薄膜的实验制备极为重要。然而,大多数软件通常局限于正入射情况下的太阳光吸收率的优化,而无法直接对太阳能光热转换效率这一重要指标进行优化。鉴于以上问题,使用传输矩阵方法与遗传优化算法,通过改变金属/介质多层膜基太阳能光热转换薄膜中各层薄膜的厚度,直接对其光热转换效率进行优化设计。重点研究了薄膜层数、太阳光照度与工作环境温度对钨/氧化铝基(W/Al2O3)多层膜的影响。研究结果表明,在聚光比为1和100情况下,该膜系的最优膜层数分别为6与8。该研究结果对于高性能太阳能光热转换薄膜的实验制备具有重要的指导意义。

针对金纳米旋转椭球在光热治疗和生物成像中的应用,利用T矩阵方法和介电函数尺寸修正模型,从理论上定量研究金纳米旋转椭球的共振光吸收与散射特性,对金纳米旋转椭球的尺寸参数进行优化,获得最优的短半轴与长半轴。对于光热治疗中的常用波长,在特定尺寸参数范围内优化的金纳米旋转椭球在波长1064 nm处具有最大的吸收特性;对于生物成像中的常用波长,在特定尺寸参数范围内优化的金纳米旋转椭球在波长1310 nm处具有最大的散射特性。与金纳米球壳的优化结果对比发现,金纳米旋转椭球在光热治疗和生物成像的应用中比金纳米球壳具有明显的优势。

拉盖尔-高斯光束是典型的涡旋光束,光束的轨道角动量会传递给微粒使其产生轨道运动。本文利用T矩阵方法和麦克斯韦应力张量积分计算了强聚焦线偏振拉盖尔-高斯光束对球形粒子的捕获力,并着重分析了粒子半径和光束阶数对微粒在涡旋聚焦场中运动状态的影响。当光束阶数一定时,随着微粒半径的增大,轨道运动的轨迹会逐渐缩小。当粒子半径大于临界值时,就会被捕获到光轴上,且无法进行轨道运动。但是,离轴捕获的粒子受到的轴向捕获力比轴上捕获的要小一个量级,需要施加足够的入射光功率以维持稳定的轨道运动。

采用混合矩阵法, 分析了磁化分层等离子鞘套对斜入射电磁波传播特性的影响, 分别计算了不同入射角以及外加磁场下电磁波透射系数和极化特性的变化。以GPS导航信号右旋圆极化波(RCP)为例, 研究了磁场、电子密度对电磁波右旋圆极化特性的影响。结果表明, 外加磁场能够使右旋圆极化波在等离子体中的阻带向高频方向移动, 此外, 外加磁场能在一定程度上改善斜入射是圆极化波的极化特性, 有利于GPS信号接收。

针对带间级联结构在长波探测上的设计应用, 采用包络函数近似下的二带模型和传输矩阵方法, 考虑电子和轻空穴耦合, 计算了带间级联结构多量子阱弛豫区的E-k关系和详细能带信息.特别优化了弛豫区结构, 在保证光生载流子在弛豫区中隧穿几率的前提下首次利用周期性量子阱结构拓展弛豫区厚度, 降低吸收区中电场强度, 抑制产生复合电流和隧穿电流, 提高器件电学性能.制备的该两级结构长波带间级联探测器10.5μm处量子效率达到了20%, 证实了弛豫区与隧穿区具有良好的光生载流子输运.器件在80 K下50%截止波长为11.5μm, 是目前所见报道中带间级联结构在80 K工作温度下所获得最长波长的红外探测器.

针对灰霾天气条件下主要污染物粒子, PM2.5主要组分, 以硫酸铵和碳质气溶胶粒子为典型粒子, 运用T矩阵方法研究了这两种粒子不同形态的散射特性, 包含椭球体(长短轴比a/b=1/2, 1/3, 2/1), 圆柱体(直径与长度比D/L=1/2, 1/3, 1/1, 2/1)及切比雪夫形(多项式n=2, 形变参数?孜=-0.1, 0.1), 两种粒子在不同形态下所对应的散射、消光及吸收效率因子随尺度参数的变化规律。结果表明, 硫酸铵非球形粒子在尺度参数小于1时, 不同形状粒子效率因子差异很小, 从尺度参数大于1开始, 散射、消光效率因子随尺度参数先增加后震荡减小, 粒子吸收非常弱; 而碳质气溶胶粒子在尺度参数小于2时, 不同形状粒子效率因子差异很小, 尺度参数大于2开始, 各效率因子随尺度参数先增加然后缓慢减小, 并且对光场具有较强的吸收作用。该研究结果可用于大气灰霾粒子探测分析, 发展大气环境污染防护科技。