对于宽入射角工作的衍射光学元件，提出了高带宽积分平均衍射效率的优化设计方法。通过复合带宽积分平均衍射效率的最大化设计，得到设计波长和设计入射角度，进一步可以计算得到微结构高度。分析了衍射效率对折衍射混合光学系统调制传递函数的影响。优化设计了一套含有衍射光学元件的折衍射混合目镜系统。目镜由三片透镜组成。考虑衍射光学元件的衍射效率，最大视场处目镜系统的调制传递函数高于0.42。该方法为混合光学系统的像质评价提供了依据。

提出了基于双法布里-珀罗干涉仪（FPI）的多纵模米散射多普勒激光雷达技术，分析了探测原理，并导出了径向风速和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光源的纵模间隔与双FPI的自由谱间距相匹配，并将各纵模的中心频率锁定在双FPI周期性频谱曲线的交叉点附近。详细分析了频率匹配误差引起的风速测量误差。在低风速区域，由频率匹配误差造成的风速测量误差增加的百分数E_V随匹配误差的增大而迅速增大；频率匹配误差不变时，E_V随风速增大而缓慢减小；当频率匹配误差小于10 MHz时，E_V将小于5%。设定合理的大气模式和系统参数，对基于双FPI的多纵模米散射多普勒激光雷达的探测性能进行了仿真分析。结果表明：在0~10 km高度、0~50 m/s的径向风速范围内，当距离分辨率为30 m、时间分辨率为30 s、激光发射天顶角为30°时，系统白天和晚间的径向风速测量精度分别优于1.50 m/s和1.02 m/s；在无云条件下，系统白天和晚间的后向散射比相对测量精度分别优于6.57%和4.53%。

提出了基于双级联法布里-珀罗干涉仪（FPI）的多纵模高光谱分辨率测温激光雷达技术。分析了该技术的温度探测原理，并据此构建温度探测的理论模型，导出了温度和后向散射比测量误差公式。该技术要求多纵模激光发射源的纵模间隔与双级联FPI的自由谱间距相匹配，并将各纵模的中心频率锁定在前级FPI周期性频谱的峰值位置。详细分析了频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差，结果表明：后向散射比越大，相同的频率匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差就越大；频率匹配误差对温度测量的影响大，为保证低层大气温度测量准确，频率匹配误差和锁定误差应分别小于5 MHz和10 MHz。进一步给出了采用FPI腔长粗扫和细扫相结合的频率匹配校准方法和步骤。设定合理的系统参数，对基于双级联FPI的多纵模测温激光雷达系统的探测性能进行仿真分析。结果表明：在0~20 km高度范围内，通常匹配误差和锁定误差引起的温度测量偏差很小，在2 km以上可忽略不计；若出现云层、沙尘等，对应高度的温度测量偏差将会较大；垂直距离分辨率取30 m@0~12 km和60 m@12~20 km、时间分辨率取1 min时，白天和晚间由噪声引起的温度测量误差分别小于3.7 K和3.5 K，后向散射比相对测量误差分别小于0.40%和0.38%。

基于扩展标量衍射理论，建立了衍射光学元件的微结构高度与周期宽度和入射角度的理论关系模型，提出了不同入射角度时，利用带宽积分平均衍射效率最大化实现设计波长和微结构高度等结构参数的优化设计方法。以工作在近红外波段的衍射光学元件为例进行分析。结果表明：周期宽度一定时，入射角度的改变会引起基于带宽积分平均衍射效率最大化所确定的结构参数发生变化。该设计方法和结论可以用于指导衍射光学元件的设计。

针对卡塞格林太阳能聚光镜的次镜遮挡问题，提出了降低遮拦比的透镜校正法。在传统的聚光比与遮拦比计算公式的基础上，给出了校正版计算公式。选取聚光比为280，遮拦比为0.33的卡塞格林聚光镜，利用Zemax软件进行了仿真分析。结果表明利用透镜校正法，所设计的卡塞格林聚光镜的遮拦比降低了36.36%，并且聚光镜的聚光比也得到了改善，接收器表面的光斑分布也更加均匀。