光束合成是突破单路激光功率限制、获得高功率激光输出的重要手段。以亮度为判据，对不同光束合成方法的合成效果进行理论研究，给出了激光光束合成效果的预评价方法。分析了亮度、光束质量因子和Strehl比3个描述光束质量的重要参量之间的关系，给出了亮度与Strehl比的关系式，据此得出了相干合成系统与光谱合成系统亮度的定标放大公式，并对两种系统的功率与亮度定标放大能力进行了比较。

流场求解采用3维雷诺平均N-S方程,分别利用ROE格式和二阶中心格式对对流通量和粘性通量进行离散处理;用高斯-赛德尔隐式格式对方程进行时间推进求解, 采用k-ε两方程模型用于湍流的数值模拟。采用几何光学结合物理光学方法分析平均流动和湍流对光场的影响。计算结果表明:由于窗口外形曲面的曲率不同, 两种窗口外部流场存在较大区别, 气流速度、密度的分布情况各不相同。曲率较大的窗口外形对气流的压缩程度较大, 导致气流绕过窗口顶端中心区域时流速快, 密度梯度大, 因而窗口空气阻力较大, 光束在该窗口流场中传输受气流影响的影响也较大

为了研究强激光输出窗口热行为对光束质量的影响，从Strehl比的普遍公式出发，推导出热变形情况下考虑材料折射率温度效应的Strehl比计算公式和远场强度分布公式。计算并分析了蓝宝石、石英、单晶硅组成的窗口镜的热变形对光束质量的影响。激光功率越高，引起的窗口的热变形越显著，使得Strehl比和远场归一化强度越低，因而光束质量越差；在考虑到材料折射率的温度效应时，在相同的激光辐射条件下，蓝宝石的Strehl比随激光功率的变化较平缓。结果表明，高功率激光器的窗口热变形及其基片材料折射率的温度效应对远场光束质量具有较大的影响。

在激光工程系统中，把卡塞格林望远系统等效为一个扩束器和环形光阑的组合形式，研究了激光束的光腰半径与卡塞格林望远系统的参数匹配问题。推导出光束扩束后通过环形光阑衍射的场分布解析表达式，并由此数值计算了由环形光阑引起的能量损失，以及光束扩束后光腰半径与环形光阑外径的比值K对Strehl比的影响。结果表明，在卡塞格林望远系统参数确定的条件下，存在最佳比值K，使损失能量最小，并可以获得较高的Strehl比，得到最大的峰值光强。

以随机统计和数值模拟为研究手段,对高功率超短脉冲激光的远场描述方法进行了分析研究.结果表明:对理想超高斯光束,半高全宽内包含的能量百分数最大不超过70%,且随着阶数增大而逐渐降低.在光束质量较好时,远场焦斑的半高全宽基本保持不变.由焦斑的半高全宽计算得到的聚焦功率密度,与半高全宽之间没有明确的关系,但与Strehl比以及半高全宽内包含的能量之间具有明确的线性增长关系.对追求高的功率密度的激光脉冲,单纯用半高全宽或者几倍的衍射极限来描述远场是远远不够的,用Strehl比或者半高全宽内包含的能量百分数来表征功率密度更为恰当.

详细给出了基于Sutton模型分析气动光学效应的方法和步骤,研究的重点为亚音速机载光学平台,仿真的结果可以用于分析由于湍流边界层的影响而导致相干光束波前畸变的特性.结果表明随着马赫数的增大,Strehl比下降了52%,波前相差σ2φ增加了近375倍.当马赫数由0.2变化到0.6时,模糊角与光学衍射受限角之比θβ/θD增加了6%,而当马赫数从0.6增至1时,两者之比增加了近44%.

在波前校正中,环形阵列的分立式微变形镜充分利用了各个单元.环形阵列的分立式微变形镜有等单元面积和等单元宽度两种设计准则,以37单元环形阵列微变形镜为例,从校正波前适配误差和校正后剩余波前的Strehl比两方面对两种设计准则进行比较.结果表明,采用等单元面积设计的环形微变形镜校正畸变波前的性能更好.特别是波前畸变严重时,这种效果更加明显.

主要研究了气动噪声对光传输和成像的影响.流场求解采用法福尔平均N-S方程,并分别利用基于MUSCL格式的AUSMPW+分裂和二阶中心格式对流通量和粘性通量进行离散处理;用四步四阶Runge-Kutta格式对方程进行时间推进求解,采用J-B两方程模型并经Sarkar方法进行可压缩修正后用于湍流的数值模拟.采用基于光学传递函数的物理光学方法分析平均流动和湍流对光质的影响.研究表明:涡脉冲在运动过程中会引起光束沿涡脉冲运动方向产生较大的整体偏折,偏折幅度随时间而变,最大偏折幅度可以达到1.7 μrad;在与涡脉冲运动的垂直方向,整体偏折基本可以忽略不记.在涡脉冲横穿光束的过程中,平均流动会导致焦平面光强峰值有两次下降,平均流动对光强重新分布的影响比湍流脉动影响更强.涡脉冲在运动过程中,先导致光束能量在与涡脉冲运动垂直的方向上扩散,随后使之在涡脉冲运动方向上向外转移.因能量向外扩散,导致Strehl比在0.9 s时刻降低到0.60左右.

用37单元哈特曼-夏克波前传感器以419Hz的帧频对加热的扁喷管气流的气动光学特性进行了测量,采用模式法进行波前重构,从而得到观测孔径内该低速热射流所造成的光程差分布,进而计算出其Strehl比,时间序列结果反映了它们的动态过程.实验给出了4.3～8m/s及44～85℃的中心平均空气流速和温度的几种不同气流参数下的光程差分布,用相关的方法得出剪切层中相干结构(涡)的流动速度,结果表明,剪切层中相干结构引起的光程差分布及Strehl比随气流参数而变化;当高于65℃时,温度的影响不明显.

激光在大气湍流中长距离近水平传输时,闪烁加强,限制了常规自适应光学的校正能力.数值研究了大气闪烁对自适应光学校正的影响,拟合得到了在Fresnel数一定时,Strehl比与Rytov方差的表达式,以及Rytov方差一定时,Strehl比与Fresnel数的表达式.结果表明,在Rytov方差较小时,纯相位校正Strehl比只与Rytov方差有关;随着Rytov方差的增加,Strehl比不仅与Rytov方差有关,还与Fresnel数有关,Fresnel数越大,校正Strehl比越大;大发射和接收孔径有利于提高校正Strehl比;在一定的Rytov方差下,Stregl比随Fresnel数增大而增加,逐步趋于饱和,达到纯相位校正的极限.