当前，工作在液氦温度的低温辐射计可以有效规避电路系统中非自发加热带来的误差，是国际上精度最高的光功率计量设备。理想低温辐射计在工作过程中，其核心器件-吸收腔对相同的热功率与电功率应当表现出相同的温升。然而对于实际情况，由于吸收腔涂层中复杂的光-物质相互作用，系统的光-电加热路径难以重合，黑体腔热传导分布的梯度差异导致误差的产生。当前国际上对光电不等效性产生的影响仍缺乏直观清晰的认知。在此，利用蒙特卡洛光线追迹方法，文中对低温辐射计吸收腔辐照度的空间分布进行了仿真。计算表明：当吸收腔斜底角控制在60°，涂层吸收率达到0.95时，系统在激光进入的第一次与第二次反射中分别吸收了98%与1.9%的能量，比例约为51.2∶1。通过在吸收腔斜底板和下侧面同时布置加热器，可实现光加热、电加热路径的耦合。进一步地，通过分别计算单加热器与双加热器布置下系统温度随时间的变化，文中证明了加热路径的不同将引入约为0.005%的光电不等效性。

激光选区熔化(SLM)过程中，表面张力使得金属熔池具有团聚球化的趋势，导致熔道内部出现孔隙缺陷。以Cu-Cr-Zr铜合金粉末为对象，通过数值模拟和实验验证，再现了连续熔道和球化效应下熔池和激光反射吸收的演变过程。其中，数值模拟基于VOF两相流模型，充分考虑表面张力和反冲压力等物理现象，同时采用光线追踪算法描述激光和材料的相互作用。结果表明：较高能量密度下可获得稳定的熔池和连续的熔道形貌，由反冲压力引起的凹陷区具有困光效应，导致全局吸收率增大；较低能量密度下熔池的润湿性较差，形成扭曲破碎的熔道形貌，激光在裸露基板表面的单次反射极大削弱了能量吸收效率，使球化效应下的全局吸收率出现剧烈波动。

基于中国地区11个IGS观测站的对流层天顶延迟和气象环境等实测数据，分析了国内外常用的三种对流层折射率剖面模型的预测精度，重点研究了三种模型在高海拔地区的适用性和随季节变化的适用性。结果表明：在高海拔地区，指数模型和分段模型精度较高，Hopfield模型在除高海拔外的地区，表现出更大的优势；总体来看，分段模型和Hopfield模型的精度在春、冬季较高，夏、秋季较差，指数模型精度与季节关系不大。该结论对于对流层折射误差修正模型的应用研究具有重要参考价值。

提出了一种基于相同抛物镜面单元旋转阵列的低成本新型槽式聚光器。采用光线跟踪方法建立了该聚光器的光学分析模型,并详细研究了镜面焦距(f)、镜面宽度、平面接收器位置、旋转阵列半径(R₁)和旋转阵列数量(N)等关键参数对其聚光性能的影响规律,为其设计与应用提供了重要依据。研究结果表明:新型槽式聚光器能很好地汇聚太阳光能,并且它不同于传统抛物槽式聚光器将平行光汇聚于某点,而是有所“分散”地进行汇聚,具备实现平面接收器上均匀聚焦能流分布的潜力;聚焦光斑的合理接收位置会随旋转阵列半径的改变而变化,通常接收器位于旋转阵列半径的一半位置是合适的,但要获得最小聚焦光斑则需将其下移150~200 mm;聚焦光斑宽度随镜面编号呈指数增大关系,特别是当镜面宽度较大且旋转阵列半径较小时;旋转阵列半径越大或镜面宽度越小,聚焦能流分布越集中且峰值聚光比越大(算例中已达到50),此时聚焦能流基本呈高斯分布特征。此外,采用较小旋转阵列半径可降低接收器的安装高度并改善能流均匀性。在算例中,当f=8000 mm、R₁=4000 mm、N=5且接收器位于1830 mm位置时,聚焦光斑能量分布非常均匀,大部分区域聚光比稳定在7.3,此时的聚光器非常适用于聚光光伏/光热应用领域。

利用光学凹型透镜中功能曲面对太阳光线传输的重新分配能力,提出在腔体接收器前端安装凹型石英窗(凹透镜)以改善能流均匀性。为此,采用一种联合光线跟踪方法和遗传算法的优化设计方法优化凹透镜的几何尺寸和安装位置,改善碟式系统的能流均匀性。对于4种典型的二次曲面和三种曲面布置方式组合的12种凹透镜,详细分析凹透镜改善碟式系统能流均匀性的有益效果和特点,并验证所提方法的有效性。结果表明,在碟式系统中增加优化的凹透镜不仅能够显著改善腔体接收器的能流均匀性以及降低局部能流的峰值,还能够获得优异的光学效率和直接有用能率,优化的双圆锥透镜可将非均匀因子从0.59显著减小到0.11。

为了改善平面接收器的能流均匀性,针对抛物碟式聚光器,提出一种重新优化布置各镜面单元的改进方法,并设计了一种新型非成像碟式聚光器。建立平面接收器目标区域内能流均匀化的优化模型,联合运动累加光线跟踪方法和遗传算法优化碟式聚光器。研究优化的聚光器与抛物碟式聚光器的聚焦能量分布,分析平面接收器上局部聚光比、非均匀因子、峰值聚光比及拦截效率指标。最后讨论了新型聚光器的应用价值,并展示了优化的新型碟式聚光器在平面型金属盘管接收器上的能流均匀化效果。结果表明,非成像碟式聚光器的能流均匀化效果最优异,能将非均匀因子从3.62~4.22显著减小到0.18~0.25,峰值聚光比从24737~37245降低到1722~2055。研究结果不仅能为太阳能平面接收器能流均匀化提供一种新的方法,还能为现有抛物碟式聚光器的改进提供新的思路。

依据LED点光源模型发光特性, 以特定尺寸圆目标屏获得均匀准直照明为目标, 采用Skew-Ray 追迹法描述光线和设计TIR透镜, 其中将透镜全反射区域进行简化处理, 主要通过折射区域的双自由曲面相互配合控制光线实现照明目标。经过对透镜设计结果与１ｍｍ×１ｍｍ 的LED扩展光源模型的组合进行非序列光线追迹模拟, 模拟结果表明在距离光源2m范围内特定尺寸目标屏所获得光能利用率至少可达到79.6%, 同时目标屏在近场和远场处照明均匀度可分别达到95.9%和83.9%, 若以±1°作为光线准直半角标准, 目标屏准直光线百分比可分别达到88.6%和73.8％。

提出一种用于点对点通信的自由空间光/毫米波(FSO/MMW)复合天线设计方法;提出传输线理论-射线追踪混合算法(TLT-RTM),用于快速高效模拟包含有损介质的电大尺寸复合天线的传输特性,并利用该算法对复合天线进行优化设计。复合天线的光学波段工作波长为1550 nm,毫米波频率为28 GHz。复合天线口径为200 mm,有效焦距为816.86 mm。对于光波,对比度调制传递函数下降到0.7时对应的空间频率为30 lp/mm;对于毫米波,复合天线增益为32.97 dBi,半功率宽度为3.29°。该复合天线可用于5G通信中点对点地面链接的光学信号和毫米波信号共口径复合传输。

以强激光系统和自聚焦理论的研究为出发点, 主要采用光束传输法和光线追迹法分析了非线性介质下的强激光光束传输过程。并且, 基于适合于非线性介质下光线追迹的亚当斯法和基于梯度信息的光强分布的恢复算法, 仿真模拟出光强与透镜厚度、介质折射率、透镜曲率半径以及入射光束半径的关系; 同时结合光学设计软件, 不仅得出了折射率与光强的乘积与焦点位置的变化关系, 还通过点列图中的数据直观地反映出系统结果的成像质量, 最后对光线追迹法和光束传输法两种光学方法进行了对比分析。仿真分析结果可以判断出系统的哪些部分容易受到自聚焦的影响, 进而可以通过改进某些参数的大小, 减少并消除其不利影响, 找到适合于强激光系统的最优方法。