为了获得结构紧凑、光束质量高、光轴稳定性好的机载激光辐射器, 采用LD端面抽运构型与正交直角棱镜腔技术对该型激光器进行研究, 基于琼斯矩阵理论分析了特殊波片实现调Q关门的原理, 通过带曲率设计的直角棱镜腔镜,将腔型控制在大基模尺寸, 并实验对比了正交偏振关门与特殊波片关门两种方式。结果表明, 在正交偏振关门状态下, 20 Hz的工作重频时获得了单脉冲能量72.2 mJ、光束质量Mx2=8和My2=6的激光输出;基于K9玻璃的直角棱镜材料, 利用0.648λ波片进行调Q关门, 在20 Hz的工作重频下, 获得了单脉冲能量80 mJ、光束质量Mx2=5.7和My2=4.8的高光束质量输出, 其中激光器在x与y方向上的发散角分别为1.65 mrad和1.35 mrad。这一结果对高性能小型化激光器的研发是有帮助的。

新一代红外对抗技术中，需要将红外高峰值功率激光耦合进红外传能光纤中进行传输。针对红外宽波段、高峰值功率激光进行光纤耦合时存在的问题，设计了一种光纤端帽参与聚焦的消色差耦合光学系统，能够对高峰值功率的2.1~4.6 μm红外激光进行光纤耦合，并且光纤端帽可以提高光纤端面的损伤阈值。然后，对消色差耦合光学系统进行了详细设计，并选择了最佳三片式消色差玻璃组合ZNS/MGF2/IRG206进行设计，最终在耦合系统焦距为35 mm时，该系统对2.1~4.6 μm波段的耦合效率达到92.74%。进一步分析可知，耦合光学系统最佳的焦距范围在35~47 mm，以及焦距在40 mm时，光纤对准最大容差为60 μm。

首先推导了角度失配情况下的相干效率, 然后对最优相对孔径与相干效率的关系以及相干效率与失配角的关系进行仿真, 最后对本振光离焦对相干效率和接收视场的影响进行评估。结果表明, 理想情况下相干探测的天线口径与接收视场成反比, 而且本振光离焦情况下的接收天线总体性能不会优于同等有效相干效率下的小口径接收。研究结果可为相干探测系统与光电系统性能指标的匹配设计提供理论依据, 同时对相干探测的接收光学系统设计、装调和测试具有重要的指导意义。

对多元探测的灵敏度模型进行研究，结合探测信噪比、探测概率和虚警率等推导建立了该模型，并进行实验验证，证明了该模型的准确性。在此基础上，仿真分析不同探测条件下，APD单元数、脉冲累加次数、填充因子和死时间对探测灵敏度的影响，为多元APD的选型提供理论依据。结果显示，脉冲累加次数为6时，填充因子越大，死时间越小，测距性能越好。在高背景噪声下，APD单元数的增加对探测灵敏度的提升效果显著。在低背景噪声下，采用4元APD就可以达到较好的测距效果。

依据漫反射目标探测的信号与噪声的统计特征, 对相干激光雷达的探测信噪比、接收灵敏度等关键参数进行仿真分析与研究。结果表明, 接收灵敏度与探测概率和虚警率性能要求密切相关, 同时也会受到目标速度动态范围以及所选取的波长的影响, 采用多次探测的方式对接收灵敏度有明显的提升作用。研究结果对相干激光雷达的总体设计具有重要意义。

为解决机载远程单光子测距激光器热稳定性差、受背景光噪声影响大的问题，提出了一种适用于机载环境的小型化、窄线宽、低能耗激光器设计方案。激光器采取主振荡功率放大构型。种子源激光器使用反射式体布拉格光栅作为耦合输出镜，在重复频率为10 kHz条件下，获得线宽为0.035 nm激光输出，光束质量为Mx2=1.303，My2=1.271，光光转换效率为44.4%；放大器选用innoslab构型放大激光能量，可以有效缓解热问题、提升光束质量。为此，采用蒙特卡罗方法建立单光子测距回波信号模型，验证了提高激光器性能可以降低激光抖动对精度的影响，同时较窄的线宽输出可以采用相匹配的窄带滤光片来减少背景噪声干扰，从而提高测距精度。

单光子探测技术利用单个光子作为信息载体, 可以突破现有激光探测极限, 是目前国内外应用基础研究的热点。采用InGaAs/InP APD(Avalanche Photodiode)探测1064 nm激光时, 存在较大的暗计数和后脉冲概率, 影响探测的准确率。对比分析了3种淬灭方式对单光子探测电路性能的影响, 门控淬灭相比被动淬灭和主动淬灭有更小的死时间, 对暗计数和后脉冲概率有更好的抑制作用。针对门控淬灭方式对比研究了正弦门控滤波法、自差分法、双APD平衡法和电容平衡法4种方案, 以有效降低门控信号产生的尖峰噪声。通过对正弦门控滤波法探测电路的优化设计与调试, 探测电路的死时间为9.3 ns, 在9%的探测效率下暗计数率为1.64×10-6/ns, 后脉冲概率为3%。

为了解决热传导散热激光器抽运和散热不均匀导致光束质量下降的问题, 采用一种对称抽运和对称散热的激光抽运构型, 结合激光棒端面直接镀膜技术, 设计了一种小型化热传导激光器, 并进行了试验验证。结果表明, 激光器在5Hz重复频率下输出大于100mJ的能量, 脉冲宽度为9.18ns, 能量稳定度优于8%; 且通过了高低温、振动试验, 性能稳定。这种对称抽运热传导激光器具有结构简单、输出能量高和光束质量好的优点, 特别适合用于小型化机载激光测距领域。

kHz、窄脉宽、高能量的脉冲激光光源在激光测距领域具有广阔的应用前景。依据晶体电光调Q与窄脉宽理论, 研究并设计了一种kHz、窄脉宽、高能量调Q的固体激光器。实验采用了一种适用于高占空比、高功率的LD端面泵浦构型, 利用三柱透镜耦合系统将泵浦光聚焦至工作物质内, 其最大光转化效率能达到27%；分别利用RTP晶体与KD*P晶体进行高重频电光调Q对比, 在近乎相同的静态输入下, KD*P晶体调Q获得了11 mJ的动态能量输出, RTP晶体的动态能量只有5. 64 mJ。最佳泵浦功率下, KD*P晶体的动静比接近80%, RTP晶体动静比接近40%。最后, 通过改变谐振腔的腔长, 验证了短腔法实现窄脉宽激光的可行性, 并在物理腔长为60 mm的情况下, 获得了5. 76 ns的窄脉宽激光。

利用LD直接端面泵浦技术实现的固体激光器，能很好地适用于复杂的机载环境，在工程应用上具有重要的研究价值，研究高效率LD直接端面泵浦技术的设计方法，能获得高光光转化效率的静态激光输出，对后续实现高能量的LD端泵激光光源具有重要的指导意义。针对一种纵向均匀排布的20 Bar LD阵列，利用ZEMAX软件仿真并设计了两种四棱柱光学耦合系统，将端泵阵列的泵浦光通过耦合系统聚焦至工作物质内，两种耦合系统的光束焦点位置各不相同，通过改变聚焦焦点的位置，研究了不同状态下激光能量输出情况。经实验结果可知，针对此平-平腔构型，工作物质（1at%）4 mm×4 mm×10 mm的结构尺寸下，设计泵浦光均匀照射工作物质前端面，焦点距离工作物质前端面为5.5 mm，此时，泵浦光与振荡光的模式匹配程度最高，在此状态下LD直接端面泵浦固体激光器的最大光光转化效率能高达40%。