在光声层析成像（photoacoustic tomography，PAT）时，不均匀光通量分布、组织复杂的光学和声学特性以及超声探测器的非理想特性等因素会导致重建图像质量下降。本文考虑不均匀光通量、非定常声速、超声探测器的空间脉冲响应和电脉冲响应、有限角度扫描和稀疏采样等因素的影响，建立了前向成像模型。通过交替优化求解成像模型的逆问题，实现光吸收能量分布图和声速分布图的同时重建。仿真、仿体和在体实验结果表明，与反投影法、时间反演法和短滞后空间相干法相比，该方法重建图像的结构相似度和峰值信噪比可分别提高约83%、56%、22%和80%、68%、58%。由上述结果可知，对非理想成像场景采用该方法重建的图像质量有显著提高。

藻细胞显微图像快速自动获取具有重要的应用价值。针对微流控-显微成像技术中样品进样效率与细胞成像质量问题，研究了基于藻细胞通过荧光检测窗口持续时间的样品平均流速检测方法，并提出基于体积流量调节的微流控自动进样分段控制方法。结果表明，进样速度在10～30 μL/min范围内，样品平均流速检测误差小于5%；分段控制实现了藻细胞显微图像的高质量自动获取，与显微镜检成像质量基本一致，且样品进样速度提升68%以上。研究结果为藻细胞显微图像高效自动获取提供了有效实用方法。

超短激光脉冲作为产生阿秒激光与探索物质微观世界的重要工具，其时间特性的精确测量尤为重要。介绍了几种少周期激光脉冲的产生以及常用的表征技术，并将表征技术在广义上分为频域测量与时域测量两大类。在频域测量中，通过测量非线性过程产生的光谱信息来反演重构超短激光脉冲的包络及相位；在时域测量中，利用“超快门开关”直接对脉冲的光场信息进行采样，从而获取时间特性。两类技术在应用场景上各有侧重，频域测量因其装置简便快捷而被广泛应用在快速表征的实验场景中，而时域采样则因为可以直接获得光电场信息，常用于与光电场直接相关的超快物理实验。

假定模型参数的不确定性服从正态分布，根据贝叶斯原理，其最可能的分布是结合先验信息和观测信息得到的最大后验概率，马尔科夫链蒙特卡罗（Markov Chain Monte Carlo，MCMC）抽样适用于此类反问题求解。鉴于随机论方法的巨大计算量，本研究利用BP（Back Propagation）神经网络及相对熵最小化来自适应加密训练数据，从而建立替代复杂正向程序的代理模型，并利用开发的不确定性分析程序对影响空泡份额的模型参数不确定性进行量化分析，选用的子通道程序为COBRA-IV。结果表明：在求得模型参数不确定性后，通过不确定性正向传递得到结果的95%置信区间对实验值的包络性较好，利用不确定性均值对模型进行标定得到的结果较基准值更接近实验值。因此，本研究建立的不确定性量化分析方法能较好适用于子通道程序的不确定性分析。

定向获取放射性待测体中放射性元素含量或放射性活度是地质勘查和放射性污染调查的一项重要工作。在定向γ辐射取样过程中，非待测体区域γ射线对测量结果形成极大干扰。本文基于同一放射性衰变系列中高、低能量γ射线在溴化铈闪烁探测器铅屏蔽层中线性衰减系数的差异，设计了一种溴化铈闪烁探测器双能定向γ辐射取样探头。当以²¹⁴Bi放出的0.609 MeV、1.764 MeV γ射线为探测对象时，使用蒙特卡罗（Monte Carlo，MC）数值模拟得出双能定向γ辐射取样探头的最佳铅屏蔽层厚度为6 mm，定向比例系数为a=0.268、A=0.451。经4种干扰辐射体蒙特卡罗数值模拟和两个镭源物理实验验证表明，采用该定向比例系数得到的双能γ辐射探头铅屏蔽张角以内0.609 MeV的γ射线计数值与MC模拟值的平均相对误差为0.63%；经两个镭源物理实验验证表明，张角以内的0.609 MeV γ射线计数值与实测值的相对误差为±2.52%以内。在放射性混合标准模型和三个放射性模型上进行双能定向γ辐射取样结果表明，设计的新型双能定向γ辐射取样探头具有定向γ辐射取样功能，实测模型中铀含量与模型推荐值的相对误差均小于5%。