复合轴跟踪系统能够有效提高光束定向系统的跟踪稳定性和跟踪精度, 它的实体仿真模型可以分解为场景模型、成像模型、预测模型和跟踪控制模型等。基于组件化仿真软件EasyLaser友好的用户建模方法和代码自动生成技术, 提出了复合轴跟踪系统的组件化仿真方法。研究了基于Matlab引擎, 通过Simulink环境嵌套方式调用求解器, 确保控制环节仿真的可靠性。融合复合轴光电系统仿真中运动、控制、光学传输等相关内容, 提出了若干辅助组件, 能够基于数值方法自动模拟仿真过程中控制量驱动的解耦过程, 解决了结构和光路布局具有多样性的复合轴系统的组件化仿真难题。通过与自适应光学系统联合的仿真实例, 表明了复合轴跟踪系统组件化仿真技术的可靠性、便利性和适应性。

利用激光系统组件化仿真软件构建了光束控制系统的组件化仿真框架，对几何/波动光学传输、光束定向器机架与其内部光学元件的耦合运动进行了仿真,提出了目标脱靶量数据和传感器图像自动更新、光束定向器机架与其内部多块快速倾斜镜控制驱动量自动解耦的数值仿真新方法,并在动态跟踪控制可视化过程中完成了光束定向器机架、多块快速倾斜镜驱动控制以及光学传输成像的仿真，满足了光束控制系统建模仿真的普适性、灵活性、易用性设计目标。最后，大气传输校正联合仿真实例证明: 利用精跟踪、自适应光学技术能有效抑制大气低频扰动幅值，校正高频扰动的影响。

高能化学氧碘激光(COIL)激光近场存在着大量的高频光，这部分光会对光束质量及强光通道附近的系统造成严重的危害，因此需要研究这些高频光在近场的传输规律。分析了各种不同的高频光的产生机理和特性，其中输出镜的衍射和高阶模对高频光的贡献最大，因此是主要研究对象。通过在光学通道内设置多个测试光阑测量了不同位置的能量，并根据该位置的空间角计算出高频光角谱。采用了三种不同的研究方法分别计算在不同出光时间下的角谱特征，得到了较一致的结果。研究结果表明高频光的角谱越往通道后端数值越大，当光束质量恶化时角谱值增大，通道内的能量损失增加。根据角谱曲线可以计算出每个防护光阑上的功率和能量，这为高能COIL激光系统热管理技术奠定了坚实的基础。

氧碘高能激光近场存在较多的杂散光，这些光会严重影响光束传输和光束质量控制。通过对杂散光的产生机理、类型和传输规律的分析和模拟确定了不同类型杂散光的测量方法。利用两个能量计测量了30 m通道自由传输时的传输效率，利用测试光阑获得了通道内杂散光角谱曲线和镜面散射光能量。实验表明30 m通道自由传输时的能量损失约为5.2%，杂散光的角谱随着传输距离的增加逐渐增大，角谱也会随着光束质量的恶化显著增加。利用角谱曲线可以获得通道内任意位置处光阑上的热负荷，这为高能激光热管理技术奠定了坚实的基础。

针对国内一直以来缺乏一套能够对复杂激光系统进行全面仿真模拟工具的问题，在成熟仿真模块的基础上，基于组件化建模仿真思想研发了通用易用的激光系统仿真软件EasyLaser。它由通用的组件化建模仿真支撑平台SciSimu和8个仿真组件库构成，具备对光束的光学元件间传输、大气传输、电视成像、自适应光学校正、识别提取跟踪等复杂过程的建模与仿真能力。详细介绍了EasyLaser的物理仿真能力和软件特色，并利用EasyLaser软件搭建仿真光路模型，进行自适应光学系统对大气湍流效应的校正效果的分析和研究。

建立了封闭竖直管道热耦合效应物理模型，采用流固耦合方法，数值模拟了封闭管道中介质气体、光学玻璃之间的热相互作用造成流场分布的变化，研究了热耦合作用对近场波前相差和远场光束质量的影响。数值模拟结果表明，光束质量可以由封闭管道内介质气体温度分布来决定，气体在管道内流动改变温度分布，使得相差分布不断变化，造成远场光束质量的振荡起伏; 光学镜与介质气体热相互作用对流场分布有较大影响，尤其是竖直管道底部的光学镜对激光束远场光束质量影响明显。热耦合效应放大了光束质量的变化: 当介质模型中光束质量变差，热耦合模型中热耦合效应使光束质量变得更差; 当介质模型中光束质量变好，耦合模型中的热耦合作用使光束质量变得更好，即光束质量随着流场分布的变化而振荡。

建立了封闭水平管道中激光传输热效应物理模型，详细研究了降低气体压强对光束质量变化的影响，辨别了热传导、浮力对流传热机制的转换时间与光束质量、光斑质心漂移转换时间的关系；数值模拟了气体吸收不同激光能量，在不同压强下的温度分布、附加相差和远场光束质量、光斑质心漂移的变化。结果表明，气体温度分布与气体热光系数两种因素共同决定远场光束质量变化的大小，而光束质量转换时间与两种传热机制转换时间一致，光斑质心漂移转换时间略有滞后；降低管道中气体压强，可较大地改善远场光束质量。

通过理论分析和数值模拟，对聚焦平台光束大气传输的焦移问题进行了研究。聚焦平台光束在湍流大气中传输时，湍流将导致光束的束腰向发射点移动，且湍流越强移动的幅度越大；大气湍流强度相同时，聚焦平台光束发射口径越小，其束腰移动的幅度越大。另外，通过调节发射系统的焦距，使聚焦平台光束的束腰正好位于接收探测器处时，接收探测器上的激光功率密度并非最大，只有当发射系统的焦距等于激光的传输距离时，接收探测器上的激光功率密度才会最大。

以硅反射镜材料为例, 对长时热变形下镜面吸收率、镜夹持半径及激光功率等参量对氧碘化学激光输出光束特性的影响进行了研究,给出了参量选择范围。模拟计算结果表明:镜面吸收率是控制输出功率的关键因素之一, 要保证在出光10 s内输出功率下降程度小于20%, 吸收率应不超过3.0×10-4。在四点夹持的情况下, 镜面夹持半径大小与输出光束大小相关, 当夹持半径与输出光束半径的比值大于1.40时, 可以避免夹持过小造成的镜面边缘处发生畸变的现象。

分析了高功率激光通过窗口时,引起的窗口热透镜效应及其对激光光束质量的影响.用冲量定理方法,推导了二维热传导方程的广义傅里叶级数解,然后按照平面热应力问题,运用有限元方法数值计算热变形.考虑热变形、折射率随温度变化,忽略光弹性效应,解出出光面的波前相差分布,讨论了远场光束质量.以空心环形光束为例,计算了熔融石英(SiO₂)和白宝石(Al₂O₃)两种常用窗口的温升分布、热变形、波前相差和光束质量,分析了冷却、辐照时间、光强分布的空间梯度和各种材料参数对光束质量的影响.