结合一维随机介质模型和波导理论, 设计了一种由ZnO随机介质粒子和金粒子构成的多层随机激光二维波导结构。采用量子理论分析了模型的出射激光增益粒子数和反转粒子数。动态特性的量子理论分析结果表明:系统由一系列驰豫造成超快响应, 其响应时间在100 fs水平。实验结果表明: 当金粒子的填充率在25%～30%时, 模型能够更好地实现出射激光; 设计的二维随机激光模型的峰值能够达到104 V/m量级, 可以实现激光出射。

研究了二维随机介质中双色辐射特性以及模式竞争特性。基于随机激光的时域理论，建立了双波长随机激光辐射的理论模型。利用时域有限差分（FDTD）方法求解麦克斯韦方程与速率方程，采用傅里叶变换方式获得随机激光的发射谱，讨论了染料浓度、表面填充率以及散射颗粒半径对辐射光波的影响。结果表明，随着染料浓度的增大，短波长辐射光强度会降低而长波长辐射光强度会提高；表面填充率的增大会使两种波长的辐射光强度同时提高，并没有表现出偏向性，而散射颗粒半径对发射谱的影响则表现出明显的波长选择性。

研究了不同尺度参数和粒子浓度下的ZnO随机介质相干背散射强度的分布规律, 采用时域有限差分法分析了不同浓度随机介质的光场能量空间分布, 预测了随机激光器阈值的高低。结果表明: 同一折射率的介质随着介质尺寸的增大, 相干背散射的带宽变窄, 局域化参量kl值相应增大, 使得局域化程度呈较大幅度减弱趋势; 并且随着介质浓度的增加, 相干背散射的带宽变宽, 局域化程度增强, 阈值降低。相干背散射有着光子局域化的先期特征, 现在已成为研究光子局域化出现与否的基本判断依据, 对研究光子局域化以及随机激光器具有重要意义。

基于随机激光的时域理论, 利用时域有限差分法(FDTD)数值求解麦克斯韦方程组和速率方程组, 利用分区域计算法, 分别计算了整体和局部泵浦二维随机介质时, 不同泵浦强度下, 不同区域的辐射谱, 得出了随机介质中模式的空间局域化分布。 计算结果显示, 同样条件下不同区域的辐射谱是不同的, 且随着激励源泵浦强度的变化, 随机激光辐射始终集中在介质中某几个固定区域, 但各个区域的随机激射效率不同, 在区域之间存在模式的空间范围重叠。 利用该方法, 可以分析介质的随机分布对随机激射的影响, 理论上可以为高激射效率的伪随机介质制备提供一定指导。

提出了一种光子晶体波导与随机介质相结合的特殊型波导的设计方法。基于光子晶体波导模型，建立了ZnO随机介质作为线缺陷的光子晶体波导模型，采用时域有限差分(FDTD)法分析了ZnO随机介质的加入对光子晶体波导系统的频率特性、时域特性及增益特性的影响，并且与纯随机介质系统和含有线缺陷的光子晶体波导系统进行对比。分析结果表明，当在光子晶体波导的缺陷层引入ZnO随机介质时，随机介质使得光在缺陷处振荡并得到放大，局域化程度比纯随机介质系统和纯光子晶体波导系统更高；且光与随机介质的相互作用使得光在波导中时间延长，激光阈值降低。这种光子晶体波导可用于制备可嵌入到集成光路领域和低阈值的微型激光器。

研究了散射粒子形状改变对光波在二维随机介质系统中的传输情况的影响。基于整体散射效应模型，建立了非球形粒子作为散射粒子的二维随机介质的模型。构建了模型的Maxwell方程，采用非均匀网格划分的时域有限差分(FDTD)方法解Maxwell方程，得到了TM模在非球形粒子二维随机介质模型中的传输及空间分布。采用快速傅里叶变换(FFT)对仿真获得的数据进行频谱变换，得到光波在频域上的发射谱。与以往的研究相比较，仿真结果表明，在非球形粒子系统中，光波的电场强度与球形粒子系统中电场强度随着散射粒子浓度的增加而增加不同，而是出现振荡的现象；发射谱显示，非球形粒子系统的模式竞争强于球形粒子系统，更易于实现模式选择。

通过建立能够描述各向异性介电常数变化情况的二维随机介质模型，利用时域有限差分法联立求解随机介质中光波 所满足的Maxwell方程和激光速率方程，研究了各向异性散射增益材料中的随机激光辐射现象。结果表明随机介质中各向异 性散射颗粒的无序程度由空间位置无序和空间方向无序共同决定，空间方向的无序能够加强随机激射的辐射。同时存在两种 无序机制的随机介质，在相同条件下它的随机辐射行为要强于仅存在一种无序机制的随机介质。

基于随机激光的时域理论, 建立了横磁与横电光波模式共享反转粒子数情况下的理论模型, 并利用时域有限差分法（FDTD）数值求解麦克斯韦方程组和速率方程组, 从而获得了二维随机介质内横磁与横电光波模式的阈值特性。结果表明, 如果横磁与横电偏振模式之间没有共享反转粒子数, 则横磁光波模式拥有较低的激发阈值; 反之, 则横电光波模式的激发阈值更低。在共享反转粒子数的情况下, 改变样品的表面填充率对两种偏振模式的阈值并没有很大的影响, 而增加样品面积则可以明显的降低横磁模式的阈值。

Mueller矩阵是公认的能很好地表述介质偏振特性的一种方法,由于散射光偏振在生物组织无创伤诊断技术等诸多领域中的重要应用价值,对组织散射特性的Mueller矩阵的研究成为国际上组织光学的热点之一.研究设计了一种新的测最Mueller矩阵的实验装置:斜入射正接收装置,并推导出一组后续数据处理的算法.由此所获得的Mueller矩阵空间分布图的清晰度不亚于其它所报道的,并且测量方法具有结构简单、方便、准确等优点.实验结果表明:入射角影响Mueller矩阵空间分布图;随着介质浓度的增大,随机介质后向散射Mueller矩阵各元素的空间分布图样减小;同时列举了真实生物组织样品(肌肉组织)的后向散射Mueller矩阵的实测结果,由此证明各向异性生物组织的后向散射Mueller矩阵各元素的空间分布图样与纤维的走向有关.