为了提高表面增强拉曼散射技术中基底的增强效果, 采用时域有限差分算法从理论上对不同入射光偏振方向下米状银纳米颗粒的电场增强进行了模拟分析, 分别研究了单个银纳米颗粒和不同组合的二聚体以及三聚体的形状、间距对局域电场强度的影响, 并且详细讨论了导致电场增强的原因。结果表明, 当米状银纳米颗粒长度约为300 nm时, 应控制其短轴约为36 nm, 间距约为2 nm, 且入射光偏振方向平行于长轴, 此时在颗粒的尖端处均会产生最大电场增强, 其中二聚体尖端对尖端情形下增强效果尤为明显。该结论为拉曼基底实验中纳米颗粒的制备提供了一定的理论基础。

为了研究拉盖尔-高斯涡旋光束在传播过程中的相位特性,采用螺旋相位板法获取涡旋光束,从菲涅耳衍射积分出发,对光束在传输过程中的相位变化以及整数阶与分数阶涡旋光束相位奇点的稳定性进行了理论推导和数值模拟.当光束传输一段距离后,光场在观察平面上的等相位线由发散的射线变成了花瓣状的弧线.结果表明,拓扑荷为整数阶的涡旋光束在传输过程中,相位奇点具有稳定性,而分数阶光束的相位奇点不再保持稳定性,其观察平面的光强分布不对称,且涡旋光束中心为暗核的特点消失.该结论对光学微操纵和光信息编码技术的实现具有理论指导意义.

激光驱动微纳器件为微机械领域中驱动微齿轮提供了一种新型的驱动方式。偏振光束的自旋角动量向晶体微粒传递可使其旋转，基于晶体波动光学理论分析了影响其旋转频率的各种因素(如微粒的厚度和半径；晶体光轴与晶面的夹角；光束在晶面的反射率和透射率、光束振幅比和位相差、激光功率)，并推导出晶体微粒的旋转角速度的解析公式。为验证理论结果，在光镊平台上实现了碳酸钙晶体微粒的定位操控和旋转。所得实验值整体比理论值小是由于实际作用在粒子上的的激光有效功率比实验测量值要偏小；结合理论模拟与实验结果对比分析得知：碳酸钙晶体微粒的旋转角速度与激光功率成正比、与晶体微粒半径的三次方成反比、与微粒厚度成周期性变化规律。依此为提高微机械转子的旋转频率进行优化设计：选择CaCO3晶体微粒作为微机械转子较为合适，CaCO3晶体微粒的半径和厚度均取为1~3 μm 。

为实现单轴晶体微粒的高精度、可操控旋转,利用偏振光与单轴晶体微粒的相互作用来实现光致旋转.基于晶体波动光学理论,考虑影响单轴晶体微粒旋转角速度的主要因素(晶体微粒的厚度和半径、单轴晶体光轴与晶面的夹角、光束在晶面的反射率和透射率、光束振幅比和位相差、激光功率等),推导出正晶体和负晶体微粒旋转角速度的一般公式.并就各种影响因素分别对正、负晶体中具有代表性的CaCO3和SiO2晶体微粒进行了模拟分析,所得到的晶体微粒旋转频率与激光功率成正比,与现有文献的实验结果一致,证明了该理论模型的合理性.依据理论分析结果,选用半径和厚度均为1~3 μm的CaCO3晶体微粒作为机械转子,对单轴晶体微粒光致旋转应用于微机械转子进行优化设计,提高了微机械转子的旋转频率.研究结果为晶体转子的选材和光驱动微机械马达的设计提供了更加精确合理的理论支持.

为了提高碳酸钙晶体转子的转动频率,采用了激光微束驱动单轴双折射晶体使其产生旋转的方法,并改进了光致旋转的实验系统。对给定实验参量下的碳酸钙晶体转子的转动频率与其厚度和激光有效功率的变化关系进行了理论分析,通过实验测得了不同厚度碳酸钙晶体转子的转动频率值,并对影响转子转动频率的主要因素进行了详细讨论。结果表明,碳酸钙晶体转子的转动频率与其厚度呈现余弦变化关系,当入射有效激光功率为10mW时,测得其最大转动频率值为8.9Hz,实验结果与理论模拟基本吻合。该结论为微观范围内生物活细胞的颗粒分类、微纳机械转子的性能研究等提供了技术保障。

基于由计算全息法制作的叉形光栅，研究了平面光束斜入射叉形光栅对涡旋光束特性的影响。从理论上分析平面光束斜入射叉形光栅时，两对称分布涡旋光束间距随平面光与光栅平面的夹角α变化而增大；实验进一步验证了随α角的增大，对称分布的衍射涡旋光束亮斑间距也增大。该研究结果对计算全息法产生高质量涡旋光束的实验有一定的指导意义。

共用X射线荧光(XRF)和X射线衍射(PXRD)技术从整体上对河北道地药材——祁山药和市售山药的元素种类、 含量及主要组分的微结构进行测定并对比分析。 结果表明, 祁山药比市售山药多Mg, Zn, Cr元素, 少Cu, Al, Mn元素, 且两组山药的元素含量也有所不同; 两组山药中均含有淀粉, 但市售山药为C+V型淀粉结构, 祁山药为B型结构,同时都含少量的一水草酸钙。 这两种技术共用适于对山药的元素和微结构分析及产地的表征与鉴别。

针对植物航天育种变异大的特点， 利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)结合二阶导数谱对第4代航天育种白芷与地面组白芷从整体上对主要组分进行测定和对比分析。 结果表明： 太空白芷主要活性成分香豆素类组分(1 741 cm-1)含量增加， 蛋白质(1 459， 1 419 cm-1)和脂肪(930 cm-1)组分含量略有增加； 而淀粉、 膳食纤维(1 152， 1 105， 1 080， 1 050 cm-1)的含量大幅度降低。 二阶导数谱中峰强差异更明显， 1 279 cm-1处揭示出太空白芷含有胺类组分。 航天育种有利于选育出变异幅度大的特异质白芷新品种。

用X射线荧光(XRF)和X射线衍射(PXRD)技术对第4代太空组和地面组白术中元素种类、 含量及主要化学组分的微结构进行测定并作对比分析。 结果表明, 太空组比地面组白术少了Na和Ti两种元素, K和Mn的含量分别提高到1.16和1.15倍, 其他元素含量有不同程度的下降, 尤其是Si和P, 分别下降了82.1%和71.2%； 在地面组白术中鉴别出含有一水草酸钙和菊糖, 而太空组白术中不含菊糖, 一水草酸钙的含量比地面组明显减小。 航天育种有利于选育出变异幅度大的特异质白术新品种。 这两种技术配合使用适宜对变异幅度大的航天育种药用植物的元素和主要组分微结构的分析。

利用X射线荧光光谱法(XRF), 测定第4代航天育种黄芩的元素种类和含量, 并与同条件下种植收获的地面组黄芩进行比较分析, 初步分析了空间效应对黄芩元素的影响。 结果表明, 两组样品元素种类基本无改变, 即两组样品富集元素种类是一致的, 但太空组黄芩元素含量有所变化, Ca, Na, Zn, S含量比地面组分别提高了0.3, 0.3, 0.04, 0.7倍。