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。

提出了一种主动共存的增强型光束扩展器——ACEX-RE。该ACEX-RE由集成的一对混合光放大器(EDFA和SOA)和共存元件(CEX)模块组成, 该模块与OLT系统一起安装在中央交换机(CO)上, 分别作为下行和上行光信号的增强器和前置放大器。在下行波长和上行波长分别为1577和1270nm的情况下, 对GPON和TWDM-PON共存的XGS-PON系统进行性能测试。结果表明, 提出的ACEX-RE能够支持多速率XGS-PON的最大运行距离为35km, 分束比为1∶128, 链路损耗为44dB。

高能激光系统的主要工作方式是利用其精跟踪模块将发射激光传输聚焦至闭环跟踪条件下的目标上, 使之受到毁伤或失效。为实现该工作方式, 本文研究设计了一套共孔径光学收发装置。该装置的发射系统主要由离轴两反式主望远镜模块、伽利略透射式调焦望远镜模块和光束馈送模块共同组成二级扩束系统, 接收系统主要由离轴两反式主望远镜模块、精跟踪成像模块和光束馈送模块共同组成长焦距光学系统, 其中光束馈送模块由二向色镜、快速反射镜等光学元件组成。以非相干空间合束的基模高斯光作为激光光源, 利用光学设计软件对该装置进行了优化设计。对于发射系统, 获得了激光经过调焦望远镜模块不同的调焦量调制后, 传输至0.5~5 km处的光斑分布情况, 且激光波前像差RMS值均优于λ/20; 对于接收系统, 由各模块一同构成的成像光学系统的性能经优化后接近衍射极限, 其中系统传递函数在70 lp/mm时大于0.6, 最后通过样机实验也验证了设计的正确性。本文的设计和实验结果证实了该共孔径光学收发装置结构合理, 性能可靠, 满足高能激光系统的工程应用需求。

离焦量和激光能量的空间分布对激光加工质量有着重要的影响,通过调节扩束镜镜间距来满足不同加工材料对离焦量的不同需求是激光加工中常用的方法。通过使用ZEMAX软件分别在序列模式和非序列模式下对激光加工的光路系统进行建模,其中扩束镜是由双透镜组成的伽利略透射式系统,在仿真环境下测量了扩束镜不同镜间距和倾斜度对应的焦点位置和工作面光斑能量分布情况。结果表明:离焦量与镜间距变化量呈线性关系,离焦量随镜间距变化量的减小而减小;负离焦量随倾斜度的增大而增大。工作面上光斑的峰值功率随着扩束镜镜间距和倾斜度的增大而减小,镜间距改变带来的影响远大于倾斜度的影响。工作面上光斑位置的偏移量与倾斜角呈线性关系。光斑模式始终为基模高斯分布。实验测量了扩束镜不同镜间距下的离焦量和工作面光斑能量分布情况,实验结果与仿真结果较好得吻合。

在激光扫描投影校准过程中,激光投影的光斑大小直接影响校准精度,进而影响投影系统的投影精度。为达到激光投影扫描系统对精度的要求,提出了一种能提高激光扫描投影精度的方法,即采用固定倍率准直扩束镜组和动态聚焦镜组相结合的方式,在减小激光束发散角和激光投影光斑的同时,使投影系统在投影工作距离上具有足够的焦深,以获得较大的激光能量密度,进而实现平场聚焦。利用ZEMAX光学设计软件进行了仿真并通过实验进行了验证,在4~5 m的工作距离上,激光束经过固定倍率准直扩束镜组及动态聚焦镜组后,有效减小了激光束发散角及投影光斑大小,提高了目标定位点上投影光斑的能量密度,最终使激光扫描投影系统满足了对投影精度的要求。

为满足大功率激光发射的要求，提出研制一种基于卡塞格林系统的大口径激光发射的复合式无遮拦激光扩束器，消除卡塞格林系统中心遮拦，提高激光发射效率。依据卡塞格林系统原理及其结构特征，结合伽利略折射式扩束器的特点，设计一种发射口径为550 mm的复合式无遮拦激光扩束器，采用反射式扩束器和折射式扩束器结合的方式，在卡塞格林次镜中心开通孔，使中心被遮拦激光透过。后接伽利略式折射扩束器，对中心透过光束进行扩束，两光束共轴发射。对设计的新型复合扩束器进行激光透过率实验，实验结果表明，对于波长106 μm激光，透过率大于9521%，比传统卡塞格林扩束器提高2212%。

随着空间激光通信技术的发展以及建立抗干扰高速天空地一体化信息网络的需要，研究空间激光通信组网技术迫在眉睫。在分析空间激光通信组网技术难点的基础上，提出了一种新的激光通信组网方案。利用广角扩束镜与双光楔组结合作为多点激光通信系统的光学天线，广角扩束镜可实现对不同方位目标信号光的收集，双光楔组可实现对不同方位目标的同时动态跟踪。以此光学天线为基础，研究了可实现一对多同时空间激光通信的总体方案，设计了系统中的光学天线、中继光学分系统、收发分光分系统等。该方案可为空间激光通信组网提供一种新的技术途径。

利用差频干涉原理设计了基于迈克尔逊干涉仪的激光雷达测距系统,该系统配合轴角编码器,可实现三维形貌测量.介绍了激光雷达发射系统和接收系统的设计,发射系统根据高斯光束准直理论,确定光学系统的相关参数,设计了可用于2 m~18 m范围内的激光测距系统,同时利用Zemax的宏语言编程,绘制出变倍曲线.接收系统根据激光雷达测距方程,确定目标的相关参数,以获取最大的回波能量,并通过光学系统将回波光束耦合进光纤.该系统实现了发射、接收共光路,可用于轨道客车的子弹头面型的非接触测量及其他复杂的三维面型,具有测量速度快、精度高的特点,有着很广阔的发展前景.

基于双干扰光路红外干扰模拟器的光束扩束技术, 设计了微透镜阵列扩束系统, 利用光刻胶热熔技术对微透镜阵列进行加工并对干扰模拟系统的能量收集效率进行测试.实验结果表明两干扰光路的能量收集效率分别为27.3%和26.9%, 与设计结果30.8%基本符合；验证了微透镜阵列作为扩束元件在红外干扰模拟器中的应用价值, 为红外成像仿真技术及多干扰光路红外成像目标模拟器的工程化研究提供了参考.

设计了一种集激光光束质量分析、光电自准直、激光自准直和光轴一致性检测等多种检测功能为一体的多功能光电检测系统.系统工作波长范围为300～1 700 nm，准直准确度2″,角分辨力0.1″.设计了一种长焦距平行光扩束系统和三光轴系统，采用带有中心平面的、可移动的复曲面摄远物镜，物镜口径75 mm，扩展口径至400 mm，使系统实现了光轴一致性、出射激光指向及多参量集成检测功能，集成化程度高.利用光学设计软件ZEMAX进行系统仿真和优化设计，在全视场内，不同波长所对应的各焦距位置50 lp/mm处MTF>0.2.成功研制一台功能样机，并于加工装调后进行了测试试验，结果表明该仪器获取图像清晰准确，能够满足测试要求.