为了探究超强激光偏振参数的梯度变化对场内高能电子运动及辐射特性的影响, 首先以电磁学基本方程为基础, 推导并建立了初始动量为0的相对论性单电子加速模型, 其次编写无近似的数值模拟仿真程序进行迭代计算与理论分析, 取得了不同偏振参数的超强激光作用下单电子的运动以及空间辐射可视化数据。结果表明, 随着偏振参数δ由0到1逐渐增大, 电子的运动轨迹由2维平面振荡逐渐过渡为3维螺旋状前进, 绕旋幅度逐渐增大且轨迹投影逐渐趋向于正圆; 电子的功率辐射空间分布也从平面线性逐渐变为3维涡旋状, 由上下针状分叉逐渐变为平滑连接, 总体变化趋势可按形态划分为δ=0, δ∈(0,0.6］, δ∈(0.6, 0.99］以及δ=1共4个阶段。该结果为高能电子辐射研究提供了多视角的理论及数值依据, 对实际应用中精确探测超强激光各项参数是有帮助的。

为了研究角向偏振艾里光束的紧聚焦特性, 采用理查德-沃夫矢量衍射理论分析优化了艾里光束的指数衰减因子、主环半径与比例因子对其入射光场分布的影响; 分别研究了角向偏振艾里光束聚焦场分布与涡旋滤波器调制的角向偏振艾里光束的聚焦场分布, 得到亚波长的角向中空场分布与亮场分布, 实验结果与理论模拟基本一致。进一步利用粒子群算法设计多环涡旋相位滤波器调制角向偏振艾里光束, 紧聚焦后得到了超长无衍射超分辨的横向偏振光针。结果表明, 光针的半峰全宽为0.395λ, 聚焦深度为37.432λ, 纵横比达到94.788; 通过计算斯托克斯参量分析聚焦光场的偏振分布, 发现聚焦光场在径向偏振与角向偏振之间交替变化, 且光束中心奇异点消失, 实现了横向偏振的亮场分布。该研究在高密度的磁光存储、超分辨的光学成像、纳米光刻与粒子操作等领域具有广泛的应用。

由于光学衍射效应，常规光学显微技术的分辨率无法满足100 nm以下形状和结构特征检测的需求。为了在二维单分子层石墨烯检测中用光学显微，弥补非光学检测技术如扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)等固有的过小的视场、过长的检测时间和过高的费用等诸多不足之处，报道了一种新的宽场偏振参数模式化非直观超显微成像(PIMI)方法。该方法通过在传统光学显微光路中增设偏振模式化装置，精确地调制入射光波的偏振状态，利用光波与物质的耦合作用变化和携带近场物质结构信息的远场光场变化，通过分析不同偏振条件下所得图像变化，反演计算得到近场光波参数图像和物质结构特征，实现对物质结构和形貌的50 nm级光学超分辨。利用该方法，通过针对石墨烯而开展的一系列对比验证实验，初步实现了对其颗粒边界、层厚、褶皱的分辨，在二维平面内实现了光学超显微分辨。

提出了一种基于斯托克斯(Stokes)参量测量的偏振共焦显微成像新方法。以斯托克斯参量、偏振度、相位差、方位角和椭率角等偏振参量作为成像物理量，通过系统集成方法将斯托克斯参量测量系统整合到共焦显微成像系统，通过共焦显微成像系统的显微物镜将激光聚焦到样品表面，而带有样品偏振信息的反射光进入斯托克斯参量测量系统进行偏振测量，把从斯托克斯参量测量系统中出射的4个斯托克斯光分别聚焦到4个点探测器进行光电探测，实现斯托克斯参量的共焦探测，同时获得同一物点的4个斯托克斯参量以及偏振度、相位差、方位角和椭率角等偏振参量。对样品进行二维扫描，获得不同物点的4个斯托克斯参量及其相关的偏振参量，利用计算机软件进行图像重建，从而获得样品的斯托克斯参量及其相关偏振参量的共焦显微图像。