自由空间激光通信技术长期以来都是卫星通信和载荷技术领域的研究热点，具有大带宽、高速率等特点。高轨中继卫星是星间数据传输的骨干节点，随着激光通信技术的成熟，激光通信链路已成为国内外高轨中继卫星数据传输的可靠途径。对国内外高轨卫星激光中继链路的最新发展动态及其未来发展规划进行综述，该综述为我国建设空间激光信息网络提供参考。

基于菲涅耳标量衍射理论,推导了离焦状态下激光发射系统远场光斑分布的解析式,提出了一种基于相似度系数的采样间隔寻优法。用最佳采样间隔得到的数值仿真结果与解析计算结果的偏差小于0.04%。采用傅里叶变换法仿真了存在像差时的远场光斑分布情况,并分析了角位移、发散角、增益等关键参数对光场分布的影响。当激光波长为λ、指向允许偏差为3 μrad、中心增益裕量为3 dB时,基于公差分配理论得到离焦、倾斜、球差、慧差、像散的容差需分别小于等于0.36λ、0.07λ、0.43λ、0.13λ、0.5λ。

准直系统为静态傅里叶变换光谱仪提供准直光, 其品质对光谱仪复原光谱的信噪比有着决定性的影响。 研究基于菲涅尔标量衍射理论, 通过数值计算软件建立了静态傅里叶变换光谱仪的物理光学仿真模型, 详细探讨了准直镜头各种赛德尔像差及扩展光源尺寸对静态傅里叶变换光谱仪的影响。 仿真结果表明: 各类像差对光谱信噪比影响的大小呈现明显的规律性； 特别是, 轴外像差对光谱信噪比的影响还与光源点所处的象限位置有关； 最后仿真得到了扩展光源的最大容许半径为0.65 mm。 此研究结果将用于准直系统的设计。

拉曼谱峰识别是拉曼定性分析中的关键技术之一, 针对现有拉曼谱峰识别方法中存在的缺陷和不足提出了一种双尺度相关拉曼光谱谱峰识别方法, 即采用两个尺度下的相关系数与局部信噪比相结合来实现拉曼谱峰识别。 利用MATLAB对所提算法与传统的连续小波变换法进行了对比分析, 并通过实测拉曼光谱进行验证。 分析结果: 双尺度相关法识别一幅拉曼谱的平均时间为0.51 s, 连续小波变换法为0.71 s； 当谱峰信噪比≥6时（现代拉曼光谱仪器均可达到较高的信噪比）, 双尺度相关法的谱峰识别准确率高于99%, 连续小波变换法的谱峰识别准确率小于84%, 且双尺度相关法谱峰位置识别误差的均值与标准差均要小于连续小波变换法。 通过仿真对比分析和实验验证表明: 双尺度相关法具有无需人工干预, 无需做去噪及去背景等预处理操作, 识别速度快, 识别准确率高等特点, 是一种切实可行的拉曼谱峰识别方法。

拉曼谱峰识别是拉曼光谱定性分析中的关键技术之一。针对现有方法的自动化程度不高、识别率低的问题，提出了一种新的基于多尺度局部信噪比(MLSNR)的拉曼谱峰识别算法。算法通过多尺度二阶差分运算，得到光谱的差分系数，再将差分系数除以估计出的噪声标准差，获得光谱的MLSNR矩阵，通过寻找MLSNR矩阵中的局部极大值形成的脊线来识别拉曼谱峰。算法采用自动阈值估计法去除噪声引起的局部极大值的干扰，可实现谱峰的自动化识别，不需设置任何参数。仿真实验结果表明：无论对单峰还是重叠峰，当拉曼谱峰信噪比大于等于6时MLSNR的谱峰识别准确率均高达100%，即使对处于检测限的单峰，仍有95%以上的识别准确率。MLSNR是一种切实可行的拉曼谱峰识别方法。

手持式拉曼光谱仪的探头系统为光照明和光收集共光路系统，由此产生了除瑞利散射杂散光之外的由于照明激光多次反射的杂散光，成为此类探头系统必须解决的问题。根据获得的实际样机的结构数据，运用实际光线追迹的方法，通过建立合理的杂散光分析模型和理论计算，获得了杂散光聚焦大小和位置、出射方向、到达狭缝处能量大小等信息。根据对杂散光的分析，提出了在探头系统中采用黑点板遮挡杂散光的新方法，并确定了黑点板的大小和位置。光学仿真分析结果表明，此方法对激光反射杂散光的抑制水平达到10-13数量级，满足手持式拉曼光谱仪系统对杂散光的抑制要求。采用黑点板技术，还可以将到达滤光片上的入射角大于2°的约50%的激光反射光滤除。

针对便携式拉曼光谱仪的小型化、高分辨率需求及弱信号能量探测问题，设计了基于高分辨率光栅光谱仪和物方大数值孔径光学探头的便携式拉曼光谱仪的光学系统，完成了样机性能测试。利用Czerny-Turner (C-T)结构光栅光谱仪的像差特性，在实现消彗差的条件下，建立了像面大小与光栅光谱仪系统参数的关系，保证了系统的像面大小与线阵CCD尺寸之间的完善匹配，完成了新型消彗差C-T结构光栅光谱仪系统。通过采用厚双胶合透镜形式的摄远光学结构，完成了物方数值孔径为0.33，并与光栅光谱仪入射光瞳完善匹配的紧凑型光学探头系统。实现了光谱分辨率优于0.6 nm、拉曼光谱范围为781~1014 nm的便携式拉曼光谱仪的优化设计和样机研制，样机尺寸为243 mm×25 mm×71 mm。通过样机实验成功获得了CCL4的5个拉曼光谱特征峰，验证了整机拉曼光谱仪系统光学设计的可行性和合理性。