应用传输矩阵法计算并分析了分布式布拉格反射镜（DBR）的堆叠方式对反射谱的影响，当入射介质为GaAs材料、出射介质为空气时，DBR以低折射率层/高折射率层（LH）的方式排列具有更高的反射率。研究了入射角度对DBR反射率的影响，利用角度相关的传输矩阵模型对DBR反射谱进行计算，结果表明，DBR反射谱随着入射角度的增加而蓝移，最大反射率随着入射角度的增加而增大。建立了940 nm波长下Al_xGaAs的材料折射率与铝的原子数分数x之间的线性拟合模型，并通过多层剖分等效法，计算分析了渐变层对DBR反射谱特性的影响。相比于突变型DBR结构，渐变型DBR结构在维持最高反射率基本不变的情况下，反射带宽有所减小。

基于光纤光栅的模式耦合理论, 用传输矩阵法对长短周期级联光纤光栅的传输谱特性进行分析。先由耦合模方程分别得到长周期光纤光栅(LPFG)、连接光纤段和短周期光纤光栅 (FBG)的传输矩阵, 然后将它们相乘得到总的传输矩阵, 最后再结合边界条件求得长短周期级联光纤光栅(CLBG)的传输谱。进一步对CLBG的传输谱进行了数值模拟, 并通过实验进行了验证。实验结果表明, CLBG的传输谱中出现了由纤芯模和包层模耦合形成的两个谐振峰, 与模拟计算的结果一致, 证明了传输矩阵法求解CLBG传输谱的可行性, 为CLBG在多参量传感和测量领域的广泛应用提供了理论支持。

石墨烯基复合材料在红外探测隐身方面具有广泛的应用前景，但如何提升其宽带全方位红外吸收特性还缺少系统的研究工作。设计了一种光学介质层与石墨烯层交替分布的二元石墨烯基复合微纳结构红外吸收器，并采用传输矩阵方法系统地研究了其红外吸收特性。结果表明，可通过调控石墨烯层数以及结构周期使红外电磁波在该结构中产生显著的增益和损耗共振耦合效应，在8~14 μm全波段内的吸收率高于80%，在10.0~13.3 μm波段内的吸收率高于90%，带宽最大为3.3 μm。此外，该微纳结构在大角度（0°~60°）斜入射下表现出红外吸收偏振不敏感特性。该研究结果将为新一代石墨烯基柔性宽频带大角度可调谐红外吸收微纳结构的设计与应用提供新思路，也为实现新一代柔性轻质隐身或伪装薄膜材料提供了可行的技术方法与实现途径。

采用二维纳米材料作周期性排列设计了一种湿敏型一维光子晶体纳米结构, 并基于多层介质的传输矩阵光学特性, 研究了所设计传感结构的透射光谱的湿敏光学特性及其湿敏禁带特性, 以及在 TE 和 TM 两种光波传播模式下一维光子晶体能带结构的光子禁带与环境湿度之间的变化关系。结果表明: TE 模式和 TM 模式下, 在0%～100%的相对湿度变化范围内, 一维光子晶体具有显著的光子禁带, 且光子禁带的初始波长、截止波长及禁带宽度都随环境湿度呈二次方规律变化。

等离子体特性电磁参数是研究等离子体应用技术的基础，为了精确地获取冷等离子体的电磁参数，提出一种基于等离子体缺陷微波光子晶体的冷等离子体电磁参数测量方法。利用传输矩阵法模拟了等离子体电磁参数与微波光子晶体缺陷透射峰的频率偏移量和峰值之间的关系。结果表明，等离子体缺陷微波光子晶体缺陷峰频率偏移量和峰值与等离子体频率和碰撞频率具有明确对应关系。因此，通过测量等离子体缺陷微波光子晶体缺陷透射峰频率偏移量和峰值，可以敏感地反演出被测等离子体的等离子体频率和碰撞频率。该方法的优势在于实现了等离子体电磁参数的非接触式和高灵敏度测量。

提出一种基于周期性宇称-时间(PT)对称结构的磁光调制器,该结构由在中间的水基MnFe₂O₄磁流体层和两侧周期性PT对称单元构成,利用磁流体的磁光效应,实现具有增益的高消光比光调制。利用传输矩阵法对结构进行仿真分析,结果表明,对于波长处于结构禁带低透射区域的入射光波,在以1550 nm为中心从1513 nm到1587 nm的波长范围内,调制器对入射光最大增益接近25 dB,消光比最高接近60 dB,最低可达30 dB,同时入射光波透射率和波长移动的平均调制灵敏度最大分别可以达到74.51 dB和108.2 nm。

磁场的传感测量在相关领域具有重要应用。利用磁流体的磁光效应, 提出了一种基于光学Tamm态的磁场传感结构。该结构由加载了金属层和电介质层的一维磁流体光子晶体构成。数值研究了该结构的结构参数对传感性能的影响。结果表明, 磁流体层越厚, 探测灵敏度就越高。金属层和电介质层的厚度均存在一个最佳值, 使得传感器具有较高的探测精度。结果还表明, 该传感结构的探测灵敏度优于已报道的采用光子晶体缺陷结构实现的磁场传感器。研究结果为基于光学Tamm态的磁流体磁场传感器的设计制备提供了参考。

采用传输矩阵法研究了基于MoO3/Ag/MoO3（MAM）透明导电电极和ITO电极的聚合物太阳能电池的光学性能。分别对电池耦合层厚度、活化层厚度和金属电极进行了优化, 得到了优良效率的结构。结果表明,MAM与ITO有机太阳能电池在不同活性层厚度和不同光学间隔层厚度条件下有明显的光学性能差异; 对于薄活性层MAM电极器件(100nm), 最大短路电流密度可达到16.85mA/cm2, 比ITO器件提高了7.3mA/cm2, 而对于厚活性层MAM电极(270nm), ITO电极器件的光学性能明显优于MAM器件; 还通过改变光学间隔层LiF的厚度进行计算, 得出本仿真条件下两种结构性能差异的临界光学间隔层厚度为30nm。

L波段取样光栅分布布拉格反射(SG-DBR)激光器在高速光通信与无源光网络中具有广泛的应用前景。本文以InGaAsP作为无源波导区材料, 从理论上分析了实现L波段宽调谐SG-DBR激光器所需的关键参数, 包括前后取样光栅的反射峰间隔、取样周期、占空比等。同时采用传输矩阵模型, 讨论了取样对数与前、后取样光栅反射特性的关系。最后得到了一组优化的SG-DBR激光器参数, 其对应的调谐范围达到47.6 nm。

石墨烯在光电子学领域具有广泛应用,但石墨烯的吸收率较低限制了其在某些方面的应用。为了改善单层石墨烯的吸收特性, 在前人研究的基础上, 设计了石墨烯和光子晶体异质结构构成的复合结构。利用4×4传输矩阵法研究了外磁场、费米能量和设计波长等参数对石墨烯吸收特性的影响。结果表明, 所设计的光学结构使石墨烯既保持了原有的宽吸收带, 还增加了数目可调的窄吸收带。由于考虑到磁光效应, 石墨烯的吸收特性表现出一定的磁圆二色性。对于各吸收带, 通常情况下左旋圆偏振光的吸收率要大于右旋圆偏振光的吸收率。但调节外磁场和费米能量, 可使各吸收带具有99%以上的吸收, 在一定的条件下, 还可实现近完美的100%吸收。研究结果为光电子学领域中基于石墨烯的相关器件的设计提供了参考。