太赫兹波因其指纹谱、非电离和对水分子敏感等特性在生命科学领域有重要的研究价值和临床应用前景。太赫兹波在新鲜或经干燥处理组织中的传输和散射特性会影响太赫兹光谱分析的准确性以及太赫兹成像的对比度。近几年,对太赫兹波的研究逐渐扩展到了有形波束,利用3D打印技术生产相位板、轴棱锥等器件可以实现对太赫兹波相位的调控以产生太赫兹涡旋波束、贝塞尔波束等,拓展了太赫兹技术的应用。在光波段,对组织光学的研究一直是生物医学领域的研究热点,利用光学手段实现对疾病的快速检测、诊断和治疗吸引了人们越来越多的关注。生物软组织微米尺度上的非均匀性会对“光学窗口”中近红外波段的光束造成很强的散射,这限制了光学技术对组织的探测深度及相关应用。近年来,研究人员发现对光场的相位、空间相干性和偏振分布进行调控可以提高光束克服折射率扰动的能力。基于以上原因,本论文围绕太赫兹波段的平面波、涡旋波束和光波段的结构光束在生物组织传输及应用展开研究,主要工作概括如下:1.分析了太赫兹波在生物组织中的传输和散射特性。根据太赫兹波段生物软组织的介电特性,基于Beer-Lambert定律,计算了不同组织在太赫兹频段的吸收系数,研究了太赫兹波在均匀组织中的强度衰减。基于瑞利散射和Mie散射理论,分析了生物组织中的分子和细胞对太赫兹波的散射特性,太赫兹波频率高于2 THz时,细胞结构对太赫兹波的散射随角度的变化已非常明显。建立血液中红细胞、白细胞和不同形状、尺寸血凝块的模型,利用时域有限差分方法研究了血液成分对太赫兹波的散射强度。通过建立分层皮肤模型,基于特征矩阵方法,研究了太赫兹TE波和TM波在均匀分层皮肤中传输时的透过率和反射率,发现低频的TM波有相对较高的透过率。针对正常皮肤和癌变皮肤的差异,即癌变后组织对太赫兹波的吸收系数增高,改变其介电特性,使癌变皮肤和正常皮肤对特定频率电磁波反射的布儒斯特角略有差异,根据角谱展开理论,推导了太赫兹涡旋波束在组织表面的反射电场表达式,讨论了太赫兹涡旋波束的入射角、皮肤癌变和拓扑荷数对反射场强度的影响。2.基于生物软组织的折射率扰动功率谱和广义惠更斯-菲涅尔衍射理论,推导了厄米-高斯关联谢尔模型光束在折射率扰动组织中传输时的光强解析表达式,研究了这种具有特殊空间相干结构的部分相干光束在组织内的演化特性和传输质量,分析了光束阶数、横向相干长度以及组织的分形维数、非均匀结构长度和小尺度因子对平均光强、光谱相干度和光束传输因子的影响。结果显示光束参数中,光束阶数越大或横向相干长度越小,光束克服折射率扰动的能力越强。3.通过推导部分相干涡旋（Partially coherent vortex,PCV）光束在折射率扰动组织中的交叉谱密度函数,研究了该光束在组织中的光强分布以及光谱相干度的演化特性,系统分析了PCV光束的相关参数和组织折射率的关联参数对归一化均方根束宽、角宽和归一化光束传输因子的影响,发现拓扑荷可以一定程度上抑制光束展宽,提高光束传输质量。根据生物组织折射率的连续分形功率谱,探讨了柱矢量偏振的部分相干涡旋光束在组织内的传输质量。采用分形传播方法,数值仿真了贝塞尔-高斯光束在湍流组织内的传输情况。4.基于Collins衍射积分公式,推导了贝塞尔-高斯关联谢尔模型（Bessel-Gaussian correlated Schell-model,BGCSM）光束穿过聚焦系统后的光强表达式,分析了这种光束的聚焦特性。基于瑞利散射理论,计算了BGCSM光束在焦平面附近对两种瑞利微粒（相对折射率大于1或小于1）的辐射力,发现该光束能够在焦点中心俘获低折射率微粒,在聚焦光斑的亮环处捕获高折射率微粒。此外,详细研究了光束的相干参数和微粒的折射率、粒径对辐射力的影响,从布朗力和轴向辐射力的角度,分析了俘获稳定性。5.研究了太赫兹平面波、太赫兹涡旋波束以及可见光波段的柱矢量高斯光束和贝塞尔-高斯涡旋光束照射在微透镜上产生的光子纳米聚焦效应。微透镜的结构、尺寸、折射率等参数都会影响光子纳米聚焦效应的峰值强度、焦距、喷流长度和半高全宽。太赫兹涡旋波束拓扑荷为0和1时,产生的光子纳米聚焦光斑呈类高斯分布,光强最大值在z轴上,这与平面波的光子纳米聚焦效应相同;当拓扑荷为2时,产生的光子纳米聚焦呈环形,其半高全宽优于拓扑荷为0和1时的效果,有望进一步提高成像分辨率。在光波段,径向偏振高斯光束能够实现更窄的半高全宽,角向偏振可以得到环形的汇聚光束。此外分析了贝塞尔-高斯涡旋光束的拓扑荷、半锥角和微粒半径对汇聚效果的影响。