太阳能计算是依据太阳几何学并结合地面太阳辐射数据来计算太阳能接收器所收集到的太阳辐射。尽管其计算过程因接收器的结构、光学特性、安装方式的不同而存在很大差异,但最基本的计算是确定太阳光在接收器上的入射角和太阳光在特定截面上的投影入射角。传统方法采用天球坐标作为描述太阳运动规律和相关计算的基础,导致相关计算过程十分复杂。以固定和跟踪太阳板为案例,详细分析了如何用向量方法分析线与线(面)的空间角度关系及光线经过镜面反射后的空间传输规律,阐述了选择和建立坐标系的原则及坐标转换的简便方法。研究结果显示:根据实际需要选择和建立合理的坐标系可以大大简化光线在固定和跟踪平面上的入射角及光线在特定面投影角的计算过程,向量代数非常适用于分析光线在反射式线聚光器内的三维传输过程。

为了实现对激光惯性约束聚变中物理过程的诊断，建立了X射线显微成像系统.对该系统所采用的超环面镜成像特性、系统的光学设计、像差分析、公差分析和装调方法进行了研究.首先，以等离子体诊断的要求为依据确定了部分光学系统参数，设计了由U型排布的两个超环面镜和一个用于谱选择的平面镜构成的显微成像系统.根据消像散聚焦初步确定三个反射镜的结构参数，并利用光学设计软件进行了优化.接着，分析了X射线显微镜的球差、彗差、视场倾斜和像散.通过分析系统参数变化对成像质量的影响，根据系统精度要求确定了合理的公差.最后，针对离线超环面镜离轴掠入射装调问题，设计了一种辅助光学系统，并为在线高精度系统装调设计了一种双向双目交汇瞄准系统.实验结果表明：显微成像系统在物方视场500 μm处的分辨率优于5 μm，基本满足激光等离子体X射线成像的大视场和高分辨等要求.

针对激光聚变装置冲击波速度被动测量的需求, 设计了一种测速光学系统。采用高紫外透过率的氟化玻璃, 实现了透射式300~800 nm复消色差设计。系统光路具有前后两组镜头, 中间为平行光, 镜头间距可变, 光路适应能力强。系统前端两侧的双目机器视觉能够完成自动寻的。平行光路中设置5个激光器, 轴上的1个前向照明靶点用来观察条纹相机狭缝处的目标像质, 轴外的4个与光轴平行后向传输用来标识系统光轴的位置, 激光器部件可电动切入/切出。系统前组镜头F/#数为4, 宽谱工作物方分辨率优于10 μm, 532 nm单波长工作物方分辨优于5 μm。该光学系统光路排布灵活, 可单独被动测速, 也可与主动测速系统VISAR耦合构成主被一体复合测速系统, 满足激光聚变装置冲击波测速的需求。

为满足爆炸冲击作用下物质界面的速度测量需求，设计了一种复合式多点测量的速度干涉仪。采用物方和像方双远心光路，将光纤阵列出射的照明激光定点投射到待测物面上，实现了针状滴注式照明，充分利用了照明激光能量，且保证了待测物面在运动过程中具有恒定的照度。成像系统像面采用末端为大芯径的锥形光纤接收信号光，既保证了物面运动过程中信号光与光纤的有效耦合，又保证了信号的单模输出，以便进入单模光纤马赫-曾德干涉仪进行差频干涉。采用具有微小楔角、沿直径方向镀矩形带状45°反射膜的反射镜，将照明光路与成像光路同轴，并校正了成像系统的大量像散。该干涉测量系统在物面运动10 mm的行程中，物面滴注式照明照度保持恒定，像面光斑大小没有超出大芯径的光纤芯径。此光学系统能够满足爆炸冲击界面的大行程速度测量需求。

针对7050铝合金表面激光熔覆Al/Ti复合粉体，建立了三维瞬态温度场有限元模型，模拟了不同离焦量条件下的熔池大小、温度梯度、冷却速度及形状控制因子。结果表明，熔池宽度与深度尺寸随着离焦量数值的增大先增大后减小，在离焦量为20 mm时熔池宽度与深度都出现了最大值。沿熔池深度方向(即Z向)的温度梯度数值最大，散热条件最好，表明熔覆凝固过程中的晶粒生长方向主要集中在Z向。离焦量为40 mm时的冷却速度最大、晶粒细小，离焦量为80 mm时的冷却速度最小、晶粒粗大，且得到实验验证。离焦量为60 mm时的形状控制因子最大，金相组织出现柱状晶；离焦量为80 mm时的形状控制因子最小，金相组织主要为胞状晶，并有相应的实验验证。

为满足高功率激光装置全程光路自动准直快速性及高精度的要求, 提出了一种光斑对应椭圆的长短轴差值法对光斑形状调节, 并结合重心法快速、高精度的获取光斑图像中心位置.利用大律法、3×3邻域法及8向链码法对光斑图像进行处理, 得到面积最大的光斑;分析最大光斑区域中心距, 求出最大光斑对应椭圆的长短轴长, 并根据长短轴差值调节光斑形状, 至长短轴差值近似为零, 获得形状最规则的光斑;分析形状最规则光斑的中心位置与其基准位置在x和y方向的偏差, 并将该差值转为闭环控制的步进电机所需要调整的步数, 实现激光光束的自准直.该算法应用在高功率激光装置中, 结果表明, 主放大光路的准直时间缩短为15 min, 近场准直的准确度优于0.2%, 远场指向准确度优于1 μrad, 满足高功率激光光束的准直要求.

在7050 铝合金表面激光熔覆Al/Ti 复合粉体，通过3 因素3 水平正交试验得知当激光功率为1.5 kW，扫描速度为150 mm/min，离焦量为50 mm 时熔覆层质量最优。模拟计算得到正交试验工艺参数下的光斑中心最高温度值，并利用极差分析得到：正交试验因素对中心点最高温度值影响程度从大到小的顺序是扫描速度V，激光功率P 和离焦量S。通过对9 组试样熔池尺寸及不同位置点温度随时间变化趋势分析可以得到，试样前端结合较差是由于熔覆过程中基体熔池深度较小，不足以使基体与熔覆材料很好地结合；而后端都出现的不同程度的变形和烧蚀，是末端温度急剧积累引起的。通过分析Al/Ti 熔覆层的金相组织可知，熔覆层组织以胞状树枝晶为主，且分布均匀细密。

采用激光熔覆技术基于压片预置式法在高温合金基体上制备NiCoCrAlY熔覆涂层，分析讨论粉末压片冷等静压处理对其熔覆涂层结合界面的影响。研究表明，粉末压片冷等静压处理后熔覆试样的宏观形貌更加完整连续，同时能够改善熔覆涂层与基体结合界面间的裂纹现象。对其机理进一步分析可知：冷等静压处理后的粉末压片的厚度变薄，致密度增加，熔覆所需要的激光比能增加，从而提高了熔覆层结合界面的质量。

设计了一种激光靶心冲击波观测镜的光学系统.用反射式光学系统代替折射式光学系统,解决了普通玻璃在200 nm端透过率较低的问题.反射镜不引入色差,有利于系统在200～800 nm谱段消色差.为消系统轴外像差,反射系统选型为对称式.反射镜全部采用球面镜,为消反射镜以及平板玻璃窗带入的球差,引入校正镜(材料JGS1),在满足要求的条件下,控制折射镜的厚度,使系统色差满足瑞利判据的色差允差,得到了良好的成像质量.