为了研究圆偏振强激光脉冲中高能电子辐射随时间的演化, 在拉格朗日方程和电子能量方程的基础上, 构建了高能单电子与强激光脉冲相互作用的模型, 采用MATLAB对此过程进行模拟和计算, 得到了电子辐射的空间分布随时间演化的仿真图像。结果表明, 受圆偏振紧聚焦强激光脉冲作用的电子所发出的电磁辐射能量会随时间由外而内呈现涡旋状的空间分布, 且在约1000 fs后集中在中心;辐射向内集中的速度会随时间逐渐放缓。此外, 单位立体角辐射能量的最大值也会随时间递增, 且变化速度先增大后减小。在450 fs附近, 辐射能量到达平台期, 此后继续缓慢增加, 直至1000 fs后稳定在1.18×10-12 J/cm2。此结果表明, 可以通过控制电子与激光相互作用的时间, 更快得到符合实验要求特性的电子辐射。

光散射中的anapole态是纳米光子学领域的一种独特的光学现象, 可以用Mie理论以及多极展开理论进行分析。对于最常见的一阶电anapole态, 其可以看做是由笛卡尔坐标系下电偶极矩和环偶极矩的干涉相消产生, 具有典型的远场散射抑制和近场增强性能。本文首先对anapole态的基本概念和理论进行阐述, 其次对激发anapole态的微纳结构进行总结, 最后结合anapole态独特的光学特性, 对其在近场增强、非线性光学、激光等方面潜在的光子学应用和最新研究进展进行了讨论和展望。

为了探究激光的束腰半径b0对高能电子与激光脉冲对撞辐射特性的影响, 以Lorentz方程以及电子辐射方程为基础建立了紧聚焦圆偏振激光与单电子对撞模型。使用MATLAB进行数值计算, 获得了笛卡尔坐标系中电子的运动轨迹, 基于模拟计算的结果深入研究了紧聚焦圆偏振激光脉冲的束腰半径与电子间的辐射功率峰值之间的关系。结果表明: 当束腰半径较小时, 峰值辐射功率随着束腰半径的增大而增加, 在b0=1.7λ0处达到最大峰值辐射功率, 接着束腰半径的增大反而会引起峰值辐射功率的缓慢降低。此外, 寻找到了一个最佳的观测θ角区间［144°, 151.5°］, 在这一观测范围内能观测到较高的辐射功率, 且电子与圆偏振激光脉冲的对撞能产生超短阿秒脉冲。

根据激光与电子相互作用方程与电子辐射功率方程建立单电子对撞模型, 借助MATLAB软件模拟, 详细研究不同强度圆偏振激光脉冲作用下, 电子振荡辐射的三维空间分布特点。研究结果表明, 对撞电子的空间辐射最大值随激光强度的增大而增大。从三维空间图像特点来看, 随着激光强度的增大, 辐射圆锥面所围立体角不断扩大, 当振幅峰值由线性向非线性过渡时, 极角方向上的辐射值由平滑向出现波折转变, 方位角方向上由均匀向非均匀变化, 当归一化激光强度达到10时, 辐射方向近似垂直于运动方向呈平面。

基于传输矩阵法(TMM)研究了可见光波与棱镜耦合的多层光学薄膜间的相互作用, 实现了一种由于共振隧穿导致的带通滤波器。计算得到了复合结构的透射谱线, 重点分析了棱镜间空气层厚度对滤波特性的影响。在横电(TE)波入射下, 通过优化计算得到目标颜色对应的几何参数。同反射模式下的颜色滤波器不同的是, 结构会透过一种特定的颜色并反射光谱的其余部分。优化后得到了红绿蓝(RGB)三色滤波器优化的结构参数,获得了100%高透射率的光谱输出。红色、绿色、蓝色对应的滤波器谐振波长分别为683 nm、517 nm 和 444 nm。

基于Au纳米颗粒的稳定性、无毒性、生物相容性和Ag纳米颗粒优异的消光特性，Au-Ag合金纳米颗粒在生物传感中存在着潜在的应用价值。为了能找到传感性能更好的合金纳米颗粒，本文利用双层球Mie散射理论和介电函数尺寸修正模型定量研究了Au-Ag合金纳米球壳的尺寸参数对折射率灵敏度、半峰宽和品质因子的影响，获得了最佳品质因子和对应的优化尺寸。同时，本文研究了Au摩尔分数对最佳品质因子和优化尺寸的影响。结果发现，当Au摩尔分数x为0.5时，Au-Ag@SiO2（Au-Ag@Vacuum）合金纳米球壳的最大品质因子为2.09（2.20），对应的内核半径和外壳厚度分别为22.3 nm（23.6 nm）和8.7 nm（6.9 nm）。当Au摩尔分数小于0.25时，Au-Ag合金纳米球壳的品质因子优于Au纳米球壳。随着Au摩尔分数的减小，品质因子增大，甚至是Au纳米球壳的2~3倍。此研究为Au-Ag合金纳米球壳在生物传感领域中的有效应用提供了理论指导。

基于Mie散射研究了带电粒子的散射特性，给出散射系数与表面电导率的关系，计算了不同面电导率粒子与非带电粒子的散射角，计算表明：对金属类粒子，带电后的散射影响不大；但带电介质类粒子如水球、冰球粒子，面电荷使面电导率达到一定量级时，对散射特性有明显的影响。与水球相比，冰球的散射系数振荡现象处于粒子尺度参数更大值，振幅更强，而当面电导率很大时，即携带更多电荷量时，两者散射效率近似相等，与同大小的金属球形粒子的散射效率接近。随着面电导率的增加，散射系数发生较大变化，但当电导率达到一定值时，散射系数趋于恒定。相对非带电粒子的散射，带电后粒子的散射系数减小，散射能量沿不同方向重新分布，后向散射强度增强，其他方向的散射强度减小。当冰球粒子与水球粒子面电导率大到一定程度时，其散射特性都接近等大金属粒子的散射特性。

包覆材料改变了单一材料的力学、光学性质。利用离散偶极近似（Discrete Dipole Approximation, 简称 DDA）的方法，系统研究二氧化硅壳层、尺寸及形貌等因素对Au@SiO2核-壳层单晶八面体纳米棒光学吸收谱峰值、峰位及其近场分布的影响。研究表明SiO2壳层包覆的Au纳米棒的光学吸收谱同样表现为横向和纵向吸收峰。随着SiO2壳层厚度增加，Au@SiO2核-壳层单晶八面体纳米棒横向和纵向吸收缝的强度明显减弱，横向吸收峰的位置发生微小的蓝移，而纵向吸收峰位发生明显的红移。SiO2壳层在提高纳米棒硬度的同时，改变光学吸收峰的峰值和峰位，削弱了Au核表面等离子体共振强度（Surface Plasma Resonance-SPR）。

本文采用脉冲激光沉积（PLD）法在单晶硅（111）和石英玻璃衬底上制备了Ga掺杂ZnO（GZO）纳米薄膜，研究了氧压强对薄膜质量和光电性质的影响。采用XRD和SEM对薄膜的晶体结构和表面形貌进行了表征，结果表明纳米薄膜的平均粒径尺寸可以通过调整氧压强来控制，当氧压强为0.01 Pa时，薄膜的结晶质量最好。PL谱分析结果表明，反应气氛中适量的氧气可以有效降低缺陷密度，实现对GZO薄膜发光性质的调控。透射光谱分析结果显示，GZO薄膜在400~800 nm的平均光学透过率超过85%，具有良好的透光性能。霍尔测试结果表明氧压强为0.01 Pa时，GZO薄膜的电阻率最低为2.77×10-4 Ω·cm，随着氧压强继续增加，薄膜的电阻率增加，载流子浓度和霍尔迁移率均降低。

本工作采用自主设计的低温高压装置, 在77 K的低温条件下对纤锌矿型GaN进行了高压拉曼光谱、高压光致发光(PL)光谱以及第一性原理计算研究。拉曼光谱数据表明GaN的拉曼振动模在77 K下发生蓝移约5 cm-1, 但由温度引起的蓝移现象随压强的增加逐渐消失。PL光谱测量得到GaN在77 K常压下带隙为3.470 eV, 并且随着压力增加带隙增大。采用第一性原理杂化泛函HSE方法, 得到了同样的变化趋势。 GaN的激子(ΓBX)特征峰能量随着压强的增加而增加, 拟合得到77 K的条件下激子能量随压强变化关系为: E(P)=3.470+2.89×10-2P+1.1×10-3P2 eV。