采用一对圆锥镜作为整形器来产生准直平行的空心光束，并根据能量守恒定律得到了整形后空心光束的光强表达式，然后基于菲涅耳衍射积分公式仿真了该空心光束在自由空间不同传播距离处的衍射光斑及截面光强分布图，并计算得到了光束质量因子随截断直径与高斯光束半径的比值和遮拦比变化的关系曲线，为实际获得良好光束质量和整形器的设计提供依据。其次，对该系统进行了锥顶角一致性、偏心及倾斜误差对波面误差的影响分析，结果表明，对于同样大小的误差，设计锥顶角较大时得到的整形光束的波面误差较小，有利于增加加工和装调的容差范围，且装调中的偏心误差和倾斜误差具有一定的等效性，通过调整装调过程中的偏心方向和大小，可以在一定程度上抵消倾斜误差的影响，实现综合误差的互相抵消，为实际应用中的圆锥镜组整形器加工和装调提供有益参考。最后，对整形出的空心光束进行近、远场测量，结果表明实际所得到的光束质量因子符合理论计算结果。

针对已有的相对角差法面形检测的原理验证装置,提出了一种具有更高稳健性的最小二乘积分面形重建算法。利用相对角差改写了经典最小二乘积分技术的代价函数,避免了积分重建中的测量误差累积的问题,空间复杂度和时间复杂度仍分别为O(N²)和O(N³)。仿真结果表明,本文算法的稳健性显著优于Zernike波前重建法与基于样条的最小二乘积分法(SLI);实验结果证明,本文算法可适用于大口径角差法面形检测。

基于脉冲激光测距原理, 推导了飞行目标激光测距回光功率的一般方程。基于目标探测跟踪系统的瞄准误差理论, 结合测距方程建立了系统准测概率的计算模型。利用Matlab软件仿真分析了激光发散角、系统跟踪精度、目标尺度、探测距离及系统接收口径对回光稳定性的影响。设计了一个飞行目标脉冲激光测距系统, 并根据理论分析结果确定了该系统参数, 搭建了实验平台。通过对无人机靶板目标的跟踪测距实验, 验证了系统的探测性能。通过对比不同大小靶板目标的准测概率与理论推算结果, 验证了该模型的有效性。

针对机载激光测距及激光指示应用需求, 设计了一种紧凑可靠的电光调Q脉冲激光器。从调Q速率方程出发, 分析了激光器输出能量随优化参数z增大而增大、脉宽随z增大而减小的关系。采用6 mm×56 mm的Nd∶YAG激光晶体, LD侧面泵浦, 角锥棱镜作为折光器的u形折叠式非稳腔, 在增益满足的前提下, 提高谐振腔抗失调能力。在注入电脉冲1.2 J 条件下, 激光器单脉冲能量输出为 108 mJ, 脉冲宽度为 11.8 ns, 能量不稳定度<0.8%; 光-光效率18%, 可长时间稳定运行。

对于飞行目标轨迹测量中常用的脉冲激光测距系统,回光波形的变化对其测距精度的影响尤为显著。为了研究回光波形变化造成的测距误差,深入分析了复杂三维飞行目标的回波特性。以典型的调Q脉冲激光测距为基础,探讨了调Q脉冲激光发射脉冲的数学描述,建立了一种通过飞行目标的反射特性、表面形状及姿态信息计算回波功率分布的理论模型。在此基础上,以典型目标为例建立了目标模型,通过仿真模拟研究了脉冲激光回波特性,分析了目标姿态变化对回波特性及回波畸变测距误差的影响。搭建了脉冲激光测距实验系统,加工制作了模拟目标并进行了验证实验。实验结果表明,飞行目标姿态变化引起的回波脉冲展宽及回波畸变测距误差变化规律与理论分析基本一致,验证了所建理论模型的有效性。

分析了衍射光学元件实现共孔径相干合成的物理过程,建立了基于衍射光学元件的共孔径相干合成数学模型,推导了合成光束复振幅与入射光束和衍射光学元件相位分布之间的关系.提出用合成光束强度分布的均匀性作为评价函数的优化方法,获得了一维衍射合束器的相位分布.与文献报道的衍射光学元件分束器相比,可获得更高的合成效率.采用模拟退火算法结合随机并行梯度下降算法优化合束器设计,提高了计算效率,获得了多束衍射合束器的相位分布和合成效率.分析了单子束失效及合束器像差对合成效率的影响,结果表明:随着合束数量的增加,单子束失效对合成效率的影响逐渐减小;若使合成效率退化小于5%,衍射光学元件的波像差均方根值应控制在λ/28以内.

光束拼接激光相干合成中，拼接占空比不高导致合成光束能量集中度不够理想，为了解决这个问题，提出了激光场相干叠加光束合成技术路线，设计了基于半反半透合束镜的多级激光场相干叠加光束合成方案。研究了子光束之间的光强差和波面误差对相干合成的影响，结果表明，激光场相干叠加光束合成中，对参与合成子光束的光强差、相位差的容差均不难满足：仅考虑单一因素时，子束光强相差三倍时合成效率仍可达90%，相位误差小于π/5时，合成效率可达到90.5%。搭建了基于半透半反合束镜的两束激光场相干叠加光束合成实验装置，实验验证了激光场相干叠加光束合成技术的可行性，在闭环情况下得到了稳定的合成光束输出，合成效率可达95%以上。

激光束近场光强分布是影响激光束特性的重要参数之一，为了使目前激光束近场光强分布的评价更加合理和科学化，对CCD直接测量法和漫反射屏测量法两种测量方法进行了研究，并分析了材料不同的漫反射屏对测量结果的影响。研究结果表明，漫反射屏材料的不同对测量结果有较大影响，并且漫反射屏测量法存在的散斑对测量结果影响也较大。两种测量方法比较表明CCD直接测量法测得结果更加客观，与真实值更加接近。

通过主动相位控制实现了两路固体激光器的高光束质量相干合成输出, 总输出功率达到240 W。建立了两路120 W板条激光放大器, 通过光束整形获得了高光束质量方形光斑, 并实现了高占空比光束拼接, 填充因子高于92.4%。研制了光轴一致性探测与控制系统, 采用基于压电陶瓷的快反镜实现了光轴的高精度闭环控制, 两束激光光轴一致性优于2 μrad(RMS)。设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的相位探测与控制系统, 用随机并行梯度下降算法(SPGD)锁定了两束激光的活塞相位。相位闭环后, 远场光斑峰值提高到开环状态的1.7倍, 为理想值的84%。合成光束主瓣包含67%的激光总能量, 光束质量(BQ)为1.1。

分析了激光相干合成装置及其光路调整要求, 提出利用剪切干涉检测合成光路中子光束一致性的方法。分析剪切干涉原理, 建立了剪切板干涉物理模型, 以相干合成中两路矩形光束拼接组束为例, 数值模拟并研究了子光束的整体倾斜、离焦所对应的剪切干涉条纹, 得到了条纹图像与子光束光轴误差、离焦误差之间的对应关系, 用于相干合成光路中子光束光轴和发散角误差的判断。光轴倾斜大于5 μrad时, 可以直接观察互干涉和自干涉条纹变化, 发散角在大于10 μrad时, 干涉条纹变化明显。此外, 剪切干涉的自干涉条纹平移可用来检测子光束间的活塞误差, 可作为光束拼接相干合成中闭环相位检测和控制的手段。