热晕效应是影响高功率激光光束质量的重要因素之一，对这一效应进行合理的仿真，有利于高能激光的应用。针对目前模拟高能激光热晕效应的微扰法、积分法和相位屏法适用条件不清晰的问题，对三种数值模拟方法进行了系统的对比，并结合实验数据确定了每种方法最为合适的适用范围：广义畸变参数N<3时，选用积分法；3<N<4.8时，选用微扰法；N>4.8时，选用相位屏法。此外，利用可编程的液晶空间光调制器实现了热晕相位畸变的实验室模拟，得到的实验室模拟结果与数值仿真结果高度吻合。合理的数值模拟及实验室模拟对于强激光的实际应用具有重要的参考价值。

类比相干光束中刃型位错概念，提出一种新的相干奇点——相干刃型位错。对高斯-谢尔模光束携带的相干涡旋和刃型位错在海洋湍流中的相互作用进行研究。基于扩展的惠更斯-菲涅耳原理，得到了该光束在海洋湍流环境下的交叉谱密度表达式，并将其用于研究相干涡旋和刃型位错的相互作用。研究发现：相干刃型位错在相干涡旋的作用下发生断裂并转化成相干涡旋。在光束传输过程中，光场中有单个或成对相干涡旋的产生或湮灭现象发生。二者之间的作用特点不仅与传输距离有关，还受光束初始参数和海洋湍流参数的影响。二者之间的作用规律与自由空间光涡旋和刃型位错的作用规律不同。

自适应光学（AO）技术是一种能够补偿大气湍流的有效手段，但由于存在系统固有时延，变形镜（DM）上的补偿波前滞后于实测畸变波前，导致AO技术对高时间频率大气湍流的校正效果明显下降。因此，开展大气湍流前向预测研究对于抵消AO系统固有时延、提升系统校正带宽具有重要的研究意义和应用价值。本文提出了一种基于注意力机制的AO波前时空预测网络，该网络同时考虑了大气湍流的时间与空间特征，可通过连续6帧先验波前斜率信息预测未来第2帧的波前斜率。在具有两帧延迟的AO系统仿真中，所提预测网络使得波前校正残差均方根（RMS）下降了约40%，并且在不同的大气湍流强度下均表现出稳定的预测精度，预测残差RMS仅为真实畸变波前RMS的5.00%。最后使用1 km激光大气传输系统采集的实验数据进行了测试，验证了开环斜率预测网络的有效性。

激光技术发展迅速，在医疗、生物、**和材料等领域应用广泛，但激光光强的高斯型分布限制了激光的进一步应用。平顶光束整形技术应运而生并受到广泛关注。针对该问题，提出了基于末位淘汰制（LPE）、Gerchberg-Saxton（GS）算法和遗传算法（GA）的LPE-GSGA算法，优化空间光调制器的相位分布函数，将高斯光束整形为平顶光束。仿真结果表明，LPE-GSGA算法输出光束指标优于GS、广义自适应加性（GAA）、加权GS（GSW）和GSGA算法。与GS算法比较，LPE-GSGA算法的误差平方和（SSE）指标降低10.1%、拟合系数η提升0.85%，对相位初值的依赖程度约降低1个数量级，输出光束顶部光强突变点更少、旁瓣减少且幅度更低。LPE-GSGA算法减少了对初值的依赖程度，使高能量利用率、高光束顶部均匀度的平顶光束整形成为可能。

以19路、127路和919路激光相干阵列为模型，通过倾斜波前调控技术对阵列光场的子阵元施加倾斜相位控制，对倾斜可控阵列光场的大角度二维扫描特性进行了理论和实验研究。结果表明，所提出的方法可实现大视场范围内任意位置的单点扫描，同时得到能量分布均匀的二维连续扫描路径，实现特殊光场图案定制。此外，该方法具有扫描范围不受限制、扫描模式准连续以及衍射效率高等特点，在提升输出功率和扫描精度等方面具有优势。

为实现激光湍流大气传输效应的快速评估，采用数值仿真方法研究高斯光束远场长曝光光斑的定标规律。首先，对理想光束真空衍射和湍流扩展效应分别定标，结果表明光源截断强弱影响远场有效半径大小。然后，考虑衍射、初始像差、平台抖动和湍流扩展的相互作用，改进了半径平方加和假设，建立了远场63.2%环围功率半径和平均光强的定标规律模型。特别地，对于截断因子为22的高斯光束，在实际激光系统特性、常用光学湍流廓线、地对空传输路径组成的参数空间中开展了数值仿真，利用遗传算法确定了模型的标度指数。结果表明基于改进的半径平方加和方法所建立的定标规律模型精度有了显著提升。定标规律模型与数值仿真的结果对比表明，真空传输远场半径的平均相对偏差为1.55%，湍流大气传输远场半径和平均光强的平均相对偏差分别为1.92%和3.80%。

建立了基于泰森多边形排布的随机微透镜阵列激光光场复相干度调制模型，分析了旋转随机微透镜阵列参数对激光发散角以及激光光场复相干度模的影响规律。仿真与实验结果表明：子透镜单元的平均口径与曲率半径共同影响随机微透镜阵列的发散角，通过控制随机微透镜阵列子透镜单元的参数可提供特定发散角；随机微透镜阵列转速影响激光光场复相干度的模，复相干度的模随转速增加而下降，转速从0增加至4800 r/min，复相干度的模下降总幅度为96.67%，且随转速增加下降趋势逐渐变缓。

在跨水空界面可见光通信（W2A‐VLC）中，动态水面波浪会导致光束折射、接收到的光信号强度随机波动。本文重点研究规则波浪和随机波浪对光无线传输的影响，采用实验与理论仿真相结合的方法，研究跨波动水空界面的可见光传输，分析光信号传输的物理响应及其链路性能。先通过实验测试激光二极管（LD）窄光束传输，获得接收端光斑的统计特性，然后将其与蒙特卡罗仿真结果进行对比，结果发现规则波浪和随机波浪引起的光子能量分布的统计规律不同。接着从发光二极管（LED）宽光束传输的角度验证LD的传输特性，即：将LED视为窄光束的集成，进行仿真和真实的W2A‐VLC实验验证；仿真结果与实验结果一致，从而从宽光束角度证明了窄光束的统计规律。

激光具备优异的相干性、方向性和高能量，被广泛应用于激光通信、激光制导、高能**和精密加工等领域。然而，激光器本身和外部环境等因素会造成光束指向不稳定，严重降低了通信、制导和加工的精度。因此，构建了一种基于快速反射镜的光束指向性偏差矫正系统，并对光束指向性偏差矫正过程进行建模。重点构建了由位置敏感探测器的位置偏差信号到快速反射镜的矫正角度的控制模型。建立的控制模型可以实现对光束指向性偏差的检测和预测，并调整快速反射镜的姿态，以矫正光束指向性偏差，提高光束指向稳定性。通过实验验证了构建的系统和模型的性能。结果表明，依据构建的系统和模型校正后的光束在X方向和Y方向上的指向性偏差分别减少了78.08%和70.28%，光束指向稳定性显著提升。