围绕减小碎片靶面上光斑尺寸从而提高靶面光强的问题，采用解析方法研究了部分相干脉冲光（PCLP）在非均匀大气中的准稳态自聚焦效应对空间靶面光束质量的影响。推导出了PCLP从地面上行大气传输至空间轨道的束宽、曲率半径和实际焦距的解析表达式。研究表明，准稳态自聚焦效应会导致焦移，从而导致靶面光斑尺寸增大。指出采用准稳态和稳态修正焦距方法可以有效抑制准稳态自聚焦效应，从而减小碎片靶面光斑尺寸。推导出了PCLP的准稳态和稳态修正焦距的解析表达式，并给出了其适用条件。研究发现，采用准稳态修正方法能获得比稳态修正方法更小的靶面光斑尺寸，但稳态修正方法更易实现。

实际高能激光器(如半导体激光器、光谱合束系统)出射的激光存在椭圆分布的现象。高能激光在大气中传输时会遭遇非线性热晕效应，大气热晕效应对椭圆高斯光束传输特性的影响还未见报道。用解析和数值模拟方法研究了风控热晕下椭圆激光光束质量的优化问题，推导出了热畸变扭曲参数的解析公式，并证明了其正确性。研究表明：由于椭圆光束像散特性，大气热晕效应对其传输特性的影响与风向密切相关。当源平面处迎风方向的束宽越大(光斑面积相等)时，聚焦椭圆高斯光束受热晕效应的影响越弱，靶面光斑对称性越好，能量集中度越高，即靶面光束质量越好。因此，在实际工作中，聚焦椭圆高斯光束的短轴沿着大气的总体风向更有利于减弱热晕效应。并且，聚焦椭圆高斯光束达到稳态热晕的时间与源平面处沿风方向的束宽成正比。研究结论对高能激光大气传输的应用具有理论指导意义。

研究了热晕效应对相干合成和非相干合成的列阵平顶光束在大气中传输的影响。结果表明:当列阵平顶光束在大气中传输且存在横向风时,光斑呈月牙状;相干合成时,光斑内存在多个光强峰值;非相干合成时,光斑内始终保持一个峰值;相对于列阵平顶光束的相干合成,非相干合成受热晕的影响较小;光束阶数N越大的列阵平顶光束受热晕的影响越小,即相对于列阵平顶光束,列阵高斯光束(N=1)受热晕的影响更大;光束传输效率在自由空间中随着N的增大而减小,在大气中则随着N的增大而增大;在大气中且功率相同时,列阵平顶光束的传输效率优于列阵高斯光束的传输效率。

采用空域滤波方法和海洋湍流功率谱, 编制了海洋湍流中扩展物体漫反射光成像的模拟仿真程序, 研究了成像质量与海洋湍流参数和接收孔径之间的关系。研究发现, 随着海水湍流功率谱中由温度引起的海水折射率变化与由盐度变化引起的海水折射率变化的比率的增大, 海水温度方差耗散率的增大, 以及单位质量海水动能耗散率的减小, 海洋湍流的可见参数减小, 成像质量变差。该数值模拟方法为研究海洋湍流中扩展物体的漫反射光成像提供了一种可行、正确的方法。

随着水下光通信、传感和激光雷达等领域的快速发展, 深入研究海洋湍流对光束传输特性的影响具有重要的意义。采用数值模拟方法研究了慧差光束通过海洋湍流的传输特性。研究结果表明海洋湍流会导致光束慧形分布消失; 慧差光束的质心位置与最大光强位置不重合; 相比于以最大光强位置为中心、以光束质心位置为中心时计算得到的束宽要小, 但其受海洋湍流影响更大; 以能量Strehl比作为评价参数时, 慧差越严重, 则光束能量集中度受海洋湍流影响越小; 以β参数作为评价参数时, 当慧差系数取某特定值时, 光束能量集中度受海洋湍流的影响最大, 在实际应用中应该避免这种情况。能量Strehl比与β参数的物理含义不同, 分别表示按照给定桶半径内所含能量定义的能量集中度(能量Strehl比)与给定桶中功率百分比定义的能量集中度(β参数), 两者受海洋湍流的影响是不同的, 这在实际应用中应当特别注意。

比较研究了海洋湍流与大气湍流中长曝光调制传递函数的差异，讨论了海洋湍流中短曝光调制传递函数（SEMTF）的适用性，并且详细研究了海洋湍流参数对系统分辨率的影响。研究表明：海洋湍流中温度起伏占主导地位比盐度起伏占主导地位时的成像质量更高, 即包含更多原图像的高频细节。虽然用Fried短曝光理论研究SEMTF时在高频区存在缺陷，但随着透镜直径与空间相干长度之比以及光传输距离的增大，SEMTF在高频区的适用性增强。此外，随着海水功率谱温度与盐度的比率和海水温度方差耗散率的增大，海水单位质量湍流动能耗散率的减小，海洋湍流中光学系统的分辨率减小, 即成像质量变差。

利用数值模拟方法，采用桶中功率为86.5%定义的环围功率束宽作为光束扩展的评价参数，研究了环状光束在大气湍流中沿斜程路径传输的光束扩展。研究结果表明，自由空间中遮拦比越大，远场光强旁瓣越明显。大气湍流造成光强旁瓣消失，且远场光强分布并不是高斯分布。光束扩展随着遮拦比和天顶角的增大而增大，大气湍流对光束扩展的影响也随天顶角的增大而增大。当遮拦比较大或较小时，湍流对光束扩展影响随遮拦比的增大而减小；当遮拦比中等大小时，湍流对光束扩展的影响几乎不随遮拦比而变化。与已有研究结果比较发现，按照桶中功率不同百分比定义的环状光束环围功率束宽受大气湍流影响规律是不同的，研究结果对实际应用具有意义。