在相同的抽运功率下，激光器工作在高阶模式时比基模高斯工作时有更高的功率输出，将其用于相干合成有望得到更高的功率输出。由于高阶高斯光束内部存在0-π相位差，使得其光束质量较差，相干合成激光亮度也因而受限。提出基于波前补偿的高阶高斯光束相干合成方案，利用光束净化将高阶高斯光束内部0-π相位进行补偿，然后将补偿后的光束用于相干合成。给出了优化式自适应光学光束净化补偿高阶高斯光束内部波前的仿真和实验结果，数值模拟了厄米高斯光束波前补偿前后相干合成的效果。结果表明，波前补偿后相干合成的1倍衍射极限内的桶中功率较波前补偿前相干合成桶中功率提高1个量级甚至2~3个量级。

为研究光子在高散射媒质中的传输特性，将高散射媒质等效为离散的球形散射体集合。在蒙特-卡罗方法的基础上，提出一种新的椭圆算法来确定高散射媒质中散射点的分布。根据米氏散射理论和光子辐射输运方程，结合模拟解析得到的散射点的分布，不同粒径、不同光程下光子散射阶数的分布以及不同散射阶数的散射光强分布，从而实现光子在高散射媒质中动态特性的数值解析。数值解析结果表明光子在高散射媒质中的传输过程本质上是光子的复散射过程，这种数值解析方法能有效解析高散射媒质中光子从单散射到复散射全光程的动态传输特性。

高斯光束的传播特性直接影响激光雷达大气回波信号的发散角，进而影响法布里-珀罗标准具(FPE)的光学特性。从高斯光束的FPE三维干涉环分析，得到发散角小的高斯光束有利于获得能量较高的FPE零级或一级干涉环。探讨了高斯光束品质因子M2和准直倍率对不同高度的激光大气回波信号的影响。数值计算结果表明，FPE对大气回波信号的透射率与高度的变化有关，在近场变化明显，在远场相对稳定；且对特定高度大气回波信号的FPE透射率随着光束品质因子M2的增大而降低，随着准直倍率的放大而增强。所以应设计和选择具有较高准直倍率的准直发射系统和具有较低光束品质因子M2的激光光束，来提高FPE的透射率，同时对以FPE分光的激光雷达的近场回波信号进行FPE透射率校正，以改善激光雷达系统的测量误差。

基于多光束干涉原理, 从高斯光束在自由空间的传输方程出发, 推导了高斯光束斜入射角度调谐窄带滤光片的反射光强以及透射光强的表达式。在此基础上研究了滤光片入射角对高斯光束反射特性的影响和关系。理论数值计算和实验结果都表明, 随着入射角度的增大, 滤光片透射光强的光斑会出现明显的展宽现象, 而其反射光强的光斑虽会在较大角度斜入射时出现一定的展宽, 但是展宽幅度远小于透射光斑的变化。故角度调谐窄带滤光片的反射端口在其调制范围内不需要跟透射端口一样进行光斑整形处理。

基于广义惠更斯菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩方法, 推导出部分相干双曲余弦高斯(ChG)光束在湍流大气中的束宽、远场发散角和M2因子的解析表达式。研究结果表明, 部分相干ChG光束在湍流大气中传输时, 均方根角宽度、M2因子和相对M2因子随着传输距离的增大而增大, 且与束腰宽度、波长、离心参数、相干参数及湍流强度等有关; 均方根角宽度随着光束离心参数的增大存在极小值。当传输距离较远时, 随着离心参数的增大, M2因子存在极小值; 离心参数较大的光束受湍流的影响较小。

寄生反射是影响高功率激光近场质量的重要因素之一。以Bespalov-Talanov理论为基础, 重点分析了高功率系统中楔形光学元件的寄生反射引起的小尺度自聚焦效应, 综合考虑了各个参数对纹波增长的影响。将反射光束与主光束的干涉叠加场进行了仔细分析, 得出了干涉场在非线性增益介质中小尺度调制增益谱的表达式。针对小信号增益情形, 数值计算了在钕玻璃片状放大器中, 介质增益及传输距离改变的情况下小尺度调制的最大增益与放大器窗口楔角的变化规律。具体分析了放大器窗口的楔角与厚度对增益增长率的影响以及不同脉冲宽度的脉冲通过相同的窗口时, 增益系数随脉冲宽度的变化关系。

采用夫琅禾费衍射理论与数值模拟方法计算了光束间距、阵列占空比以及相位变化与相干合成远场光强分布之间的关系; 运用外差法和液晶相位调制器,验证了激光偏振态与相位变化对相干合成光强分布的影响, 并得到了光束在光纤中传输的相位变化特性。结果表明, 相位的随机变化使得合成光强降低, 并有本底漂移; 偏振态的改变会使合成光束的条纹对比度发生较大变化; 在振动、温度变化的环境中, 光束相位变化的频率明显高于自然环境下的频率。

对于准分子激光角多路主振荡功率放大器(MOPA)系统, 脉冲串能量提取对确定光束路数、降低系统复杂性具有实际意义, 然而脉冲串放大实验对光路准直有着严格的要求。根据近场调节平移、远场调节角移的原理进行了光路自动准直设计, 编写了闭环控制软件, 利用He-Ne光进行了原理性实验, 获得了平移21 μm, 角移1.3″的调节精度, 并将此系统应用于双脉冲串放大实验的光路准直, 效果良好。

激光合成技术旨在将几个分立的激光光束合成为一个同轴光束, 实现数倍于单个激光器功率的激光输出。设计了一种新型的空心光束变换器, 可将N路(N≥3)激光合成为一个同轴光束, 并进行了数值计算和实验研究。将此技术应用于三光束合成, 获得了激光合成效率89%, 时间同步精度误差不大于2 ns, 激光合成脉宽约10 ns, 激光光束发散角不大于2 mrad的实验结果。

在空间大口径离轴光学系统中, 畸变的存在严重影响其定位精度的提高。为提高该系统的定位精度, 对其畸变特性进行了研究。在研究中发现, 大口径离轴反射系统的畸变特性不同于传统的径向畸变模型。因此, 传统的畸变校正方法对于大口径离轴反射系统不再适用。对该离轴系统的畸变校正进行了研究, 提出了一种利用二维拉格朗日插值法对离轴系统畸变进行校正的方法。在系统设计阶段, 利用计算机仿真的方法, 对该校正方法进行了研究, 分析和讨论了校正结果。仿真结果表明, 该方法的校正精度能满足实际要求。这种方法在对大口径离轴系统的畸变校正中具有普遍的实用性。