激光扩束系统可以扩大激光光束直径、压缩空间发散角，被广泛应用在激光测距、大气探测等领域。为了压缩激光扩束系统的外形尺寸，减小出射与入射光束之间的距离，设计了一种由多个共焦离轴抛物面镜组构成的多级反射式激光扩束系统。根据设计指标，计算了多级反射式激光扩束系统的系统参数，使用ZEMAX光学设计软件对单组扩束系统和两个多级扩束系统进行了仿真和公差分析，对比了单组扩束系统和多级扩束系统的尺寸和公差。结果表明，在比较宽松的公差范围内，多级扩束系统能够实现在更短距离上的高倍激光扩束。

基于石英(SiO2)制作光弹调制器(PEM)的压电驱动器时, 存在机电耦合系数小、需高压驱动且谐振频率随温度漂移严重等缺陷,故本文研究了PEM的优化设计方法。考虑铌酸锂(LiNbO3)特殊的晶体结构, 从理论上推导了LiNbO3晶片作为压电驱动器的可行性, 并确定其切型为zyw/35°切。基于有限元分析软件COMSOL4.3a仿真, 确定了晶片体积和谐振频率, 设计了LiNbO3压电驱动器。对设计出的压电驱动器进行了压电性能测试, 并和SiO2压电驱动器进行了比较。将LiNbO3压电驱动器和硒化锌(ZnSe)光弹晶体组合成PEM, 用671 nm激光进行了光弹调制实验。实验结果表明: 实现相同位移时, SiO2压电驱动器需要的驱动电压是LiNbO3压电驱动器的100多倍, 且后者横向长度伸缩振动模式单一性和稳定性均优于前者。驱动电压为3.76 V时, 671 nm的激光通过基于LiNbO3压电驱动器的PEM的调制光程差为3.7 μm。得到的结果表明: 基于LiNbO3压电驱动器的PEM易于驱动控制, 调制性能优于基于SiO2 驱动器的PEM。

针对现有弹光调制器(photoelastic-modulator, PEM)的调制频率高(几十kHz以上)， 调制干涉信号频率更高， 普通阵列探测器无法有效采集， 提出了一种基于双弹光调制器拍频调制和傅里叶-贝塞尔(Fourier-Bessel)变换的光谱测量方法， 并结合CCD成像技术构成新型双弹光调制成像光谱技术(dual-photoelastic-modulator-based imaging spectrometer, Dual-PEM-IS)。 该方法将双弹光调制器分别工作在数值略有差异的频率上， 以对光进行拍频调制， 并产生载有被测光的低频调制分量(比驱动频率小2～3个数量级， 普通CCD可实现探测)， 通过对调制信号中的低频成分进行Fourier-Bessel变换可得到目标光谱， 使得弹光调制兼具了成像和光谱测量能力。 介绍了其原理并推导出光谱反演公式， 并通过仿真和实验验证其可行性， 分析了光程差的微小偏差对反演光谱造成的影响， 为进一步工程化实现提供了必要的理论基础。

为了更简便地实现Stokes矢量测量, 采用一种工作在不同频率上的双弹光调制器, 利用它的频率叠加对光进行调制, 产生载有被测量的高频调制分量, 通过锁相一次得到了适用于所有偏振态测量的4个Stokes分量, 且进行了理论分析、仿真验证以及误差分析, 即对相位延迟幅度、入射角等因素对测量结果的影响进行了分析。结果表明, 该方法实现了只需测量一次便可测出偏振态的所有分量, 为进一步工程实现提供了基本的理论支撑。

为了提高卡塞格林望远镜像斑耦合多模光纤的效率，采用一种在光纤前端放置锥形导管的方法，利用光线在锥形导管中经过多次内全反射耦合进多模光纤中，通过几何光学理论及数值方法分析卡塞格林零视场光束像点的最大耦合角，确定锥形导管初始结构参数。将此参数作为Zemax仿真的初始条件，进行优化仿真计算和误差分析。结果表明：加工误差控制在0.03 mm之内，采用锥形导管后可以使像斑整体耦合效率较直接耦合提高4倍以上。

针对单强度调制偏振光谱测量技术存在混叠且有效光程差有限的缺点，提出双强度调制偏振光谱测量新方法，该方法通过双强度调制干涉信号的和差处理，即保证单强度调制偏振光谱测量的优点，又能有效消除混叠现象，提高有效光程差和光谱分辨率，再对和差处理后的干涉信号进行傅里叶变换即可得到被测偏振光谱。文章对双强度调制偏振光谱测量方法进行了理论推导，并通过MATLAB对模拟入射光偏振光谱的干涉信号和傅里叶反演光谱进行仿真；仿真结果显示，该方法和差处理后可有效消除混叠且有效光程差提高一倍。通过理论分析和仿真验证了该方法的可行性，为进一步的工程实现提供理论支撑。

为了解决非线性效应与偏振模色散问题所引起的巨大功率代价, 对基于偏振的编码技术进行了研究。提出了一种基于三弹光互差频偏振调制的偏振信息获取方法, 该方法克服了现有方法无法用阵列探测器实行有效采集及调制频率高等缺点；给出了MATLAB仿真及实验验证结果, 证明了该方法在理论及实际中的可行性。

为了克服Kemp型弹光调制器调制效率低、加工工艺困难及体积大等缺点，提出了采用铌酸锂(LiNbO3)晶体压电弹光双效应的单晶体弹光调制器的设计思想；根据压电振动理论和晶体光学原理，分析了晶体各物理量随空间变换的特性，推导了调制电压相位差振幅之间的关系，并对晶体切型和通光方向进行了优化，所设计的晶体尺寸为41 mm×7.7 mm×17.1 mm（x×y×z），切割角为0°（x切），通光方向z轴（光轴），通过在x-z面施加与晶体谐振基频一致的周期性电压，产生沿x方向，频率为73.71 kHz的伸缩振动, 最后通过实验对所设计单晶体弹光调制器进行了验证；实验结果表明，对633 nm激光进行半波调制时，该弹光调制器所需调制电压为1.6 V；与基于钽酸锂(LiTaO3)且未进行切型优化的单晶体弹光调制器相比，调制电压下降了约4倍。