随机游走模型能够准确预测筒仓内无摩擦颗粒系统的堵塞概率，但是对于有摩擦的颗粒系统，该模型的适用范围至今尚不清楚。搭建了基于面阵CCD相机的测量装置，通过图像法测量堵塞拱的特征参数，发现当堵塞拱上相邻两个颗粒的夹角与颗粒位置之间满足负线性关系，并且流量大于8.3 g/s时，随机游走模型可以准确预测筒仓的堵塞概率。实验结果拓展了随机游走模型的适用范围，为工业生产中筒仓装置的调控过程提供了参考依据。

当前手术导航系统在使用时，医生的视线要在显示屏和患者之间来回切换，容易造成医生的视觉疲劳，进而影响手术安全性。针对这种限制，提出了一种基于双目视觉和混合现实的光学手术导航仪，可以在视线不离开手术区域的情况下进行外科手术导航。设计了一种新型虚实配准方案，建立虚拟空间和现实世界之间的映射关系，并通过数据处理单元和眼镜的无线通讯，实现了虚拟模型的实时虚实融合显示。对光学导航仪的精度进行了验证，并对虚拟头骨模型进行虚实融合显示实验。结果表明，虚拟模型和真实模型间的误差在4.5 mm左右，实时帧率在15 帧/s左右，验证了系统方案的可行性，展现了临床应用的潜力。

为了提高太赫兹超透镜成像的纵向容忍度，设计了一种纯几何相位全介质长焦深超构表面透镜器件。采用纯几何相位自旋解耦的设计方法，并结合时域有限差分（FDTD）方法，对设计的超构表面透镜进行了数值仿真。研究结果表明，所设计的太赫兹超构表面透镜具有偏振可控和长焦深的特性，在沿着传播方向上焦深达到了8 mm，而普通超构表面透镜只有4.5 mm焦深。设计并数值仿真验证了两个太赫兹长焦深聚焦复用的超构表面透镜，并使得横向复用的两个长焦深焦点具有相互正交的偏振态。相关研究有望应用于层析成像和信息加密等方面。

本文对梯度折射率光子晶体的亚波长聚焦特性进行了研究。该光子晶体是由硅和圆形空气孔构成的平行平板，通过改变空气孔的结构来实现折射率的梯度渐变。采用时域有限差分（finite-different time-domain，FDTD）算法对光子晶体的聚焦过程进行仿真分析。研究发现，适当地修正光程差可以大大地提高聚焦效果，同时焦距和中心空气孔的结构对聚焦效果也有影响。综合以上3种要素，最终设计出的梯度折射率光子晶体平板可实现较好的亚波长聚焦效果，其中在光子晶体外部1.45 λ处的光斑最佳，半宽值可达到0.3447 λ。为了提升应用性能，设计了一个动态的调焦系统。在该光子晶体中加入半导体制冷片来调节温度，通过改变温度可以实现1.1374 λ～2.6264 λ的焦点调谐，同时焦斑半宽均小于0.4 λ。

携带横向轨道角动量的时空光涡旋是一种新型光脉冲波包，受到越来越多的关注。本文报道一种经过高数值孔径透镜聚焦，在透镜焦平面上产生偏振态可控的线偏振时空光涡旋的方法。为克服聚焦透镜对入射时空涡旋产生的时空像散效应，需对入射时空波包作预劈裂处理。基于Richards Wolf矢量衍射公式仿真了不同偏振态下的高度局域时空涡旋的三维时空场分布，并对其强度和相位特性进行了分析。生成的水平偏振、垂直偏振以及45°偏振高度局域时空涡旋证明了本文所提方法的有效性。

基于自建的超快抽运探测实验系统，研究了化学气相沉积法生长的SnSe₂薄膜的超快载流子与声子动力学。对SnSe₂薄膜随抽运能量密度变化的载流子弛豫过程的测量结果表明该薄膜具有超快的载流子热化过程和皮秒至纳秒时间尺度的复合过程。伴随着光生载流子的超快激发和能量弛豫，SnSe₂薄膜发生晶格热化，产生了特定频率的相干声学声子。通过分析声学声子振荡信号随抽运能量密度变化的规律，揭示了SnSe₂薄膜产生的相干声学声子的特性。研究结果对SnSe₂薄膜在光电器件领域的应用研究具有一定的参考价值。

提升太赫兹(THz)脉冲产生能量一直是近些年超快光学的研究热点之一。基于双色激光在空气中拉丝产生THz波的数值模型，在隧穿电离范围内，详细分析了双色激光场产生THz波的最佳参数组合以及其产生变化的物理机理，用于得到最强的THz波辐射能量。双色激光场组合的电场具有不对称性，其引起的快速振荡有利于电子的加速过程，进而产生更大电子数密度以及在沿拉丝距离形成了更强的累积净电流。当电子密度和净电流增加时，使得单点THz辐射更强，拉丝各点辐射的THz波相干叠加，于是在远场得到了更强的THz波能量。这些研究结果为不同激光产生条件下增强THz波辐射能量提供了详尽的参数分析及理论依据，重点研究了不同寻常波长组合及不同相对相位对激光拉丝产生太赫兹波的影响，对后续大幅增强THz辐射效率具有重要意义。

为了更深入地探索基于铯里德堡原子的太赫兹新探测技术，通过仿真模拟研究了在四能级里德堡原子模型下，其原子跃迁后的辐射寿命以及不同跃迁模式下（S_1/2→P_3/2、D_5/2→P_1/2、D_5/2→P_3/2）的系统散粒噪声限制灵敏度。仿真结果表明，原子跃迁后的辐射寿命会随着其能级主量子数的增大而增加；且在模型3种跃迁模式中，S_1/2→P_3/2的原子辐射寿命较其他两种跃迁模式短。对于散粒噪声限制灵敏度方面，探究发现D_5/2→P_1/2的跃迁模式下灵敏度数值最小，即该跃迁模式下系统的探测灵敏度最高。该结论为基于里德堡原子太赫兹探测技术提供了参考，使其对生物、材料领域的微弱信号的探测奠定了基础。

针对目前低维材料转移方案中过程复杂和衬底适应性差的难题，提出了一种常温常压下基于柔性聚合物薄膜聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane, PDMS）的低维材料定点转移方法。PDMS柔性膜的受力形变是实现其与不同衬底紧密贴合的基础，针对不同的目标衬底，仅需要更换对应的衬底微调系统盖板，结合三维位移机械系统，即可实现一维和二维材料的通用定点转移。该方法避免了转移过程中的真空吸附及衬底加热等严格条件，降低了材料的定点转移难度并提高了其稳定性和通用性。此外该方法也可实现低维材料同质结或其它垂直结构的构建，从而极大提高低维材料结构的丰富性。

透镜作为光学系统中的核心部件之一，其加工质量极大影响着光学系统的使用性能。其中，透镜中心厚度的偏差对整个光学系统成像质量的影响最大。现有的非接触式和接触式测量设备都存在着一些缺点，因此本文提出了一种口径自适应光学透镜中心厚度测量方法，并基于此方法设计和搭建了一套透镜中心厚度测量装置，进行了测量精度对比和重复性测量实验。结果表明，本文所研究的测量装置误差与产线上所使用的测量装置误差相当，满足对光学透镜的检测要求。本装置具有结构简单可靠、操作方便、测量精度高且可以节省光学透镜生产成本等优点，已在生产线得到应用。

阻变存储器是一种新型非易失性存储器，其在外加电场作用下可实现高阻态和低阻态之间的切换。存储器电极材料和活性层材料的选择及相互作用是实现器件阻变特性的主要因素。石墨烯是具有优良导电性和高延展性的二维材料，通过激光加工还原氧化石墨烯是高效获取石墨烯的极佳方法。传统存储器的制备过程复杂，不利于大规模加工制造。以金属金（Au）和还原氧化石墨烯（rGO）作为电极，氧化石墨烯（GO）作为阻变层进行器件制备，很好地实现了存储器的阻变功能。简单高效的制备方式为大规模、高集成化生产阻变存储器提供了参考。

倏逝波的强弱决定了波导型倏逝波传感器的探测极限。在波导表面涂覆一层高折射率树脂薄膜，提高光波导外倏逝波的占比。高折射率薄膜的涂覆可以大幅度改变波导中的光场分布，并提高倏逝波强度。通过研究不同折射率下倏逝波占比与镀膜厚度间的相互关系，得到了不同折射率下的覆膜最佳厚度。通过激光诱导波导自成型技术在聚合物波导上涂覆了一层折射率为1.6，厚度为300 nm的树脂薄膜。光谱测量结果表明，经过薄膜涂覆后，传感器对罗丹明B水溶液的吸收检测极限提高至1×10⁻⁹ g/mL ，比未覆膜传感器高了10倍。该传感器成本低、体积小、制作简单、灵敏度高，在各个领域都拥有广阔的应用前景。