基于衍射光栅原理, 以反射式液晶光学相控阵为研究对象, 针对波长1 550 nm波段进行光束扫描角度计算。并对周期性和非周期性的扫描模式进行了仿真分析。编制了周期性和非周期性扫描模式的相位图程序及实验软件。实现了对光波的光学相位进行实时可编程控制。通过光束偏转实验, 验证了最大偏转角度2.4°时, 最大探测距离约为1.3 km。该实验结果对制导、多目标威胁预警和反击中有着指导意义。

仿生蛾眼是一种具有抗反增透效果的微纳米结构, 该结构采用化学沉银方法制作了随机分布的双面仿生蛾眼抗反射纳米结构透镜, 平均透射率在97%以上。分析了相同参数组合条件下周期蛾眼结构和随机蛾眼结构的透射率情况, 得出在设计波段内, 随机蛾眼结构透射率优于周期结构的结论。采用蛾眼透镜进行相关参数的计算, 利用CODE V平台设计了一款全蛾眼成像镜头。该蛾眼系统焦距为25.5 mm, F数为5, 视场角13°, 光谱范围400～700 nm。经过成像对比试验显示, 蛾眼镜头相比常规镀膜镜头而言, 对鬼像、边缘眩光等杂散光具有很好的抑制作用。

在亚波长区(λ/n<Λ<λ)具有较低反射率和零级透射率,然而在小周期区(Λ<λ/n)具有低反射率和透射率。因此,基于严格耦合波分析(RCWA)理论,以硅基底仿生小周期蛾眼微纳结构为例,设计并分析了针对该结构反射率及透射率的影响因素,如占空比、刻蚀深度、周期等,并给出了最优化参数组合。在制作过程中采用电子束刻蚀及剥离技术进行掩模图形的光刻,然后经过反应离子刻蚀得到所需深度。最后,应用原子力显微镜进行结构形貌表征,红外光谱仪测试得到该结构反射率在7%左右,透射率约为69%～93%。

采用时域有限差分(FDTD)法对中红外波段(3~5 μm)硅基底的圆锥形仿生蛾眼微纳结构进行了仿真模拟。通过对微纳结构占空比、周期和刻蚀深度等参数的分析, 获得了具有良好抗反射特性的微纳结构的组合参数。为了更好地指导实际加工, 对不同参数进行了公差分析。制作中应用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术在硅基底上制备得到该圆锥形仿生蛾眼微结构, 并且使用热场发射扫描电子显微镜得到了该微结构的表面形貌图。采用红外成像光谱仪对单面微结构的测试结果表明, 仿生蛾眼微结构的反射率在中红外波段约为5%。

通过分析仿生蛾眼抗反射阵列周期对反射率和透射率的影响,获得了波长与周期之比与反射波能量和零级透射波能量直接相关,分界线符合±1级衍射倏逝条件。在亚波长区具有低反射率和低零级透射率,而在小周期区具有低反射率和透射率。并且通过引入微结构顶面与底面直径之比圆锥度系数概念来表征微结构形状,从而能够分析圆锥形、圆台形、圆柱形仿生蛾眼微纳结构之间不同形状过渡的变化趋势,进而实现了制备微纳结构形状的误差分析。

应用严格耦合波分析方法(RCWA), 在本征硅片衬底表面设计并制作了一种圆柱形抗反射微结构元件。通过MATLAB软件模拟仿真确定其最优参数组合, 使反射率设计值为3%。应用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术制作了单面和双面的圆柱形微结构, 根据结果得到射频功率、气体流量及工作气压对微结构侧壁陡直度及形貌具有很大影响。还分析比较了形状(t为实际柱顶面直径与底面直径之比)与反射率的关系。采用热场发射扫描电子显微镜对该结构进行形貌表征, 综合显微成像红外光谱仪对反射率进行测量。实验结果: 制作了单面、双面微结构与无结构本征硅片反射率做比较双面圆柱形微结构的抗反射效果最好, 反射率达8%左右, 基本达到抗反射设计要求。

采用严格耦合波分析方法研究了长波红外波段锗基底的圆柱形周期阵列仿生蛾眼抗反射微结构的衍射特性，并进行理论分析和模拟仿真验证。重点分析了周期、深度、占空比和整体面型轮廓等参数对微结构抗反射特性的影响，得出具有较好抗反射效果的结构组合参数。采用二元曝光技术和反应离子刻蚀技术在锗基底上制备该亚波长周期微结构。通过热场发射扫描电子显微镜对微结构表面形貌进行表征，并应用红外成像光谱仪在长波红外波段分别对双面抛光锗片、单面微结构和双面微结构进行测试对比，结果显示在8~12 μm范围内双面微结构的反射率小于8%，基本达到设计要求。

传统哈特曼-夏克传感器主要受微透镜尺寸与微透镜数量的限制，对待测波前采样不足，影响对波前的探测精度。通过对哈特曼-夏克传感器波前重构原理和双光楔微扫描原理进行分析讨论，提出了一种在哈特曼-夏克传感器之前加入双光楔微扫描结构的检测方法，弥补了传统哈特曼-夏克传感器对待测波前采样不足的缺点。利用Zemax和Lighttools软件模拟了加入双光楔微扫描结构哈特曼-夏克传感器的光斑分布情况。微扫描图像重建算法与波前重构算法结合给出原理性验证，对所模拟后大像差光学系统波前复原精度提高了53.53%，该方法可以有效提高哈特曼-夏克传感器对波前探测的精度。

在光机热集成分析过程中,引入非序列光线追迹,分析复杂光源条件下光学系统内光致热效应,利用有限元分析方法求解光学元件温度场分布及表面面型变化,构建基于Zernike多项式的基底函数对梯度折射率场进行精确拟合,进而分析得到系统的光学性能。拟合过程中通过使用对Zernike多项式赋权值的方法避免了结果的非对称性。最后以大功率激光准直扩束镜为例,进行了系统的光机热集成分析,并给出分析结果,说明了该分析方法的有效性与通用性。