提出了一种光场相机波前传感器的成像模拟方法，该方法将微透镜阵列等效为一个相位掩膜，考虑了微透镜之间的干涉效应。数值模拟显示，不存在波前畸变时，光场相机的波前斜率输出不为零，降低了波前重构精度；光场相机波前传感器的线性度随着微透镜尺寸的减小而提高，然而存在一个与波前畸变程度有关的最优微透镜尺寸，使波前复原精度最高；与哈特曼波前传感器相比，在国内典型大气条件下，光场相机的波前重构精度略低。

基于随机并行梯度下降（SPGD）算法的自适应光学（AO）系统通过直接优化系统的性能评价函数来控制波前校正器以补偿波前畸变。传统的全局耦合的SPGD算法能够明显提高AO系统的收敛速度，但会降低系统的波前校正效果。针对传统算法的不足提出了改进方法：收敛前后期采用不同的电压优化控制方式。建立了SPGD AO成像系统的仿真模型，结果表明，与传统全局耦合SPGD算法相比，改进算法在收敛速度基本与前者相同的情况下，波前校正后焦平面成像光斑的斯特列尔比（SR）提高了0.14。

幸运成像技术是自适应光学(AO)图像高分辨率重建的一种事后处理技术。传统的幸运成像算法要先对短曝光图像进行像质评价，并选取像质最好的一些图像进行配准、叠加来重建目标图像，最终使得图像分辨率达到地基光学望远镜的衍射极限。但是传统幸运成像算法未考虑图像某些方向上的高分辨率信息，而频域幸运成像算法则在傅里叶频域内对每帧图像进行信息选取，可更有效地利用短曝光图像在不同方向上的高分辨率信息。仿真实验结果表明频域幸运成像算法与AO系统结合能克服大气湍流影响，明显提高望远镜的分辨能力。在没有AO校正的情况下对真实天文图像进行了处理，结果表明，频域幸运成像算法重建图像的分辨率高于传统幸运成像算法。

阐述了GS算法用于相位恢复的原理，并对算法的应用范围进行了扩展，不再局限于已知光瞳面和焦平面光强的情况。仿真中，选取了光束自由传输的两个垂轴截面，利用光强分布，采用了GS迭代算法对常见的几种波前畸变进行了恢复。针对相位恢复中GS算法收敛速度慢和精度低的问题，提出了迭代过程中，在光束输入端和输出端分别进行加权改进，给出了加权系数取值范围。仿真结果表明，这种改进有利于算法跳出局部极值，在加权值取1.2时，针对象散像差的恢复中，速度和精度提高了2倍左右，对一些其它常见像差的恢复精度也有所提高。

自适应光学系统内光路像差的校正对获得好的光束质量至关重要。实际中采用的校正方案是常规共轭式自适应光学。然而系统菲涅耳数较小时，激光在传输过程中的衍射效应严重影响着系统内光路像差的校正效果。基于随机并行梯度下降算法模拟了不同程度衍射效应（以菲涅耳数表征）下的校正效果，模拟结果表明，像差校正效果随着菲涅耳数的变小而变差。同时在此基础上提出了改进方案，并基于双液晶空间光调制器进行了实验研究。模拟和实验结果均表明，同等条件下改进方案的校正效果明显优于常规共轭式自适应光学校正方案的校正效果，且前者像差校正效果几乎不受衍射效应的影响。

为了提高激光系统的整体效率，需要输出激光具有特定的光强分布。基于并行梯度下降(SPGD)算法的自适应光束整形方法凭借其良好的适用性得到了迅速发展，然而其整形效果较大程度地受到目标光束尺寸的影响。提出一种新的光束整形方法：采用SPGD算法对入射光束进行近场整形后通过控制4f系统得到需要口径的光强分布。研究了理想高斯光束和含静态像差高斯光束的光束整形效果，同时对其光束口径的可控性进行了模拟分析。研究结果表明，设计的整形系统可以有效地实现有无波前畸变的入射光束的任意口径光束整形，具有更好的适应性和实用性。

自适应光学系统的光路通常包含很多光学器件，而各光学器件存在加工误差、装调误差和非均匀热变形等，这些因素会对光束质量产生影响，因此系统内光路相位畸变的校正对获得好的光束质量至关重要。然而系统光路较长时，激光在传输过程中的衍射效应会对内光路相位畸变的校正效果产生重要影响。模拟了离焦和像散等实际应用中存在的主要畸变在不同衍射(以菲涅耳数表征)和像差大小下的校正效果。研究表明：校正效果随着衍射的增强而变差，校正效果良好的菲涅耳数范围为Nf>11；随着像差的增大相位校正效果变差。