采用调制传递函数和波前像差分析方法，设计了基于偶次非球面反射镜和Zernike自由曲面反射镜构成的放大倍数为80，相对孔径为2.8的三个离轴投影成像系统.其中第一片反射镜M1表面为凹面用于减小第二片反射镜的尺寸及获得高的对比度，而第二片反射镜M2和第三片反射镜M3表面为凸面用于校正系统像差及获得更短的投影距离.经软件设计与分析，三系统中基于三片Zernike自由曲面反射镜的成像系统光学性能最好，调制传递函数实现60 lp/mm 时60%以上，畸变小于2.0%.与其它文献相比，基于三片Zernike自由曲面反射镜系统可以更好地消除像差，缩短系统厚度，增大系统的可视角与相对孔径.

基于热传导理论，构建了高斯分布的连续激光辐照GaAs材料的二维轴对称非稳态物理模型，且利用多物理场直接耦合分析软件COMSOL Multiphysics求解热传导方程得到了材料表面温度分布曲线以及光斑中心处温度沿厚度方向分布曲线，并得出GaAs材料的分解损伤时间与入射光功率密度的关系曲线.研究表明，在连续激光辐照下，GaAs材料可能会发生分解损伤，激光功率越高，材料被破坏所需的时间越短.理论计算结果与相关的实验结论一致，说明所建立的激光辐照效应模型具有科学性.

针对半导体激光器的发光特点，设计了半导体激光器的光束整形系统。首先采用柱透镜准直和偏转沿Y轴发散的光束；然后再采用望远系统对X轴发散的光束进行准直和扩束；最后采用弯月透镜对发射光束压缩，实现半导体激光器的光束整形，降低光束发散角，提高光束质量。利用ZEMAX软件模拟系统，结果表明，整形后输出光束沿X轴和Y轴的发散角变为4.922mrad，输出光斑直径为1.2707mm，整形系统总长度为65.6618mm，各元件的最大直径为20.52 mm，输出光束质量和系统结构都优于同类产品。

在已有理论基础之上，采用严格的计算方法对激光器实现太赫兹(THz)波的辐射进行了可能性分析。利用传递矩阵法，通过Matlab软件计算了基于AlGaN/GaN材料体系的三能级量子级联激光器导带子能级与电子波函数的分布，详细分析了由该材料特有的极化效应所产生的极化场，得出了在近共振条件下偶极跃迁元、外加电场、垒层Al组分及导带子能级能级差之间的关系，并研究了它们对激光器性能的影响。分析结果表明，实现受激辐射的条件非常严格，Al组分取0.15或0.16时较为适宜，同时外加电场需大于63 kV/cm，但不能过大，这样才能满足近共振条件，实现粒子数反转达到太赫兹量子级联激射。在Al组分为0.15，外加电场为69.0 kV/cm时激光器的偶极跃迁元最大，表明跃迁几率也最大，对激光器的性能有利，可以为量子级联激光器构造较好的有源区。