在惯性约束聚变过程中，冲击波速度与靶丸内爆压缩对称性密切相关，任意反射面速度干涉仪（VISAR）与压缩超快成像（CUP）系统的结合（CUP-VISAR）为冲击波速度二维时变诊断开辟了新思路。针对系统重建耗时长的问题，提出并实现了一种针对CUP-VISAR系统的全变分正则化快速重建算法。对弯曲条纹的仿真重建分析结果表明，本文提出的TVAL3H算法对比传统TVAL3算法，峰值信噪比（PSNR）提升了6.86 dB（25 frame）~1.20 dB（150 frame），结构相似性（SSIM）提升了26.67%（25 frame）~14.10%（150 frame），时间消耗降低了92.15%（25 frame）~78.30%（150 frame）。对比广义交替投影（GAP）和交替方向乘子（ADMM）算法，时间消耗降低了57.79%（100 frame，GAP）~77.20%（25 frame，ADMM）的同时PSNR和SSIM差异较小。在同一重构时间量级下，所建立重构算法不同frame条件的PSNR相比GAP与ADMM算法分别提高了1.92 dB（25 frame）~0.84 dB（150 frame）及1.85 dB（25 frame）~0.80 dB（150 frame）；SSIM相比GAP与ADMM算法分别提高了9.23%（25 frame）~4.48%（150 frame）及8.85%（25 frame）~4.46%（150 frame）。

基于扩展标量衍射理论，同时对于透射和反射的情况，考虑了入射光的方位角（即锥面衍射），推导了闪耀光栅任意衍射级次的相对衍射效率。证明在分别以平面和介质分界面为界对闪耀光栅运用扩展标量理论时，得到的相对衍射效率公式不同，但是得到的最优化深度和闪耀波长相同，并给出了相应的显式表达式。以特定参数的闪耀光栅为例，分别将两种相对衍射效率公式与严格耦合波理论进行了比较，结果表明，两种公式差距很小，且均和严格耦合波理论结果符合得很好。

衍射光学元件（DOE）对入射光束的波长、束宽、光束质量等参数都有很高的要求，其中光束质量的影响无法直接通过相干光场的衍射积分得出。本文利用高斯谢尔模型（GSM）光束分析了光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响。采用对称迭代傅里叶变换算法设计了输出平顶光斑的DOE。用模式分解的方法研究了不同光束质量的光束经该DOE后的输出光斑，发现光束质量因子增加会使输出光斑平顶区尺寸减小，导致DOE失效。从交叉谱密度出发，表明DOE的输出光斑是相干部分和非相干部分的卷积，其中非相干部分是导致输出光斑劣化的原因。给出了平顶衍射光学元件适用的最大M²因子与输入和输出光束尺寸之间的关系。给出了一种GSM光束整形DOE的设计方法，该方法有助于在低光束质量激光器中实现DOE的应用。

提出一种基于非相干泵浦辅助的非厄密电磁诱导光栅的理论方案，其中物理系统由具有三能级Lambda型结构的超冷原子系综与非相干泵浦场组成。该方案仅通过单重空间周期调制便可获得光学宇称-时间对称和宇称-时间反对称等非厄密光学对称性。通过对探测光束透过该系统的远场衍射特性的研究发现：首先，通过非相干泵浦速率与控制光束失谐的操控可以实现不同非厄密光学对称性的切换；其次，在光学深度不变的前提下，可以通过非相干泵浦场对系统的衍射效率进行有效调制，从而引入全新的操控自由度；此外，控制光束失谐的相位可以有效操控系统的衍射对称性及衍射模式。该理论研究结果可以促进非厄密光学与散射型全光器件的研究与开发，并应用于量子光学与量子信息处理等领域。

新型光场调控技术已经在焦场调控、光学微加工、光学微操纵和光通信等领域取得了众多重要成果。提出了一种基于贝塞尔光束的复合光场调控方案，利用贝塞尔光束固有角谱和环形光阑的锐边衍射实现了远距离的超衍射极限聚焦。理论和实验结果表明，轴棱锥-透镜系统生成的局域空心光束经环形光阑产生锐边衍射，其高频成份得到增强，从而具有超衍射聚焦特性。该局域聚焦光场与周围旁瓣光场距离很远，有望应用于远场超分辨显微成像和光镊等领域。

星间超远距离传输仿真在精密激光测距任务中发挥着重要的作用。激光在星间的传输距离可达几百至百万公里量级，由于探测过程中的波前像差和衍射效应，无法直接采用经典高斯光束追迹的方法对其进行仿真。本文应用模式分解法对星间超远距离衍射传输进行仿真，通过与解析解和夫琅禾费衍射积分计算结果的对比分析以验证仿真精度，分析分解阶数、初始高斯光束腰半径与圆孔半径之比等参数对仿真精度的影响，从而为空间精密激光测距任务仿真提供一种兼顾计算精度和效率的数值模拟方法。

利用改进的马赫-曾德尔干涉仪测量了拉盖尔-高斯（LG）光束的轨道角动量（OAM）［拓扑电荷（TC）的值和符号］。模拟结果与实验结果一致。当LG光束与高斯光束发生干涉时，可以观察到类似漩涡的“花瓣”图案。“花瓣”的数量等于LG光束的TC的绝对值，干涉图样的旋转方向与TC符号有关：在TC符号为正时，干涉图样显示顺时针旋转；而在TC符号为负时，干涉图样显示逆时针旋转。只有当LG光束的光斑尺寸小于高斯光束的光斑尺寸时，才能根据干涉图样准确确定OAM状态。当LG光束的光斑尺寸接近高斯光束时，干涉图样只反映TC值，无法识别TC的符号。与传统干涉仪相比，该干涉仪可以获得稳定的干涉图样，并直接获得LG光束的OAM状态。实验现象是明显的。该研究结果为LG光束与高斯光束干涉的理论分析提供了参考，为光与物质之间的自旋-轨道相互作用奠定了研究基础。

基于夫琅禾费远场衍射理论和达曼（Dammann）光栅设计原理，利用液晶空间光调制器（LCSLM）的相位调制特性设计了产生5×5点阵结构光的相位型光栅。以显示二维Dammann光栅为例，采用模拟退火算法根据预期的光能利用率和光强不均匀性对光栅一个周期内的相位分布值进行优化，设计了5×5点阵Dammann光栅分束结构。然后利用Matlab进行远场衍射仿真，光能利用率可达到79.94%，光强不均匀性可达到13.28%。将光栅结构加载到LCSLM上，得到了光强不均匀性为27.53%、零级衍射光强均匀分布的5×5点阵，且光能利用率达到71.06%。数值模拟及光学实验结果证明了LCSLM可以在结构光再现光学系统中清晰地再现点阵结构光。与传统的结构光相比，设计的结构光在衍射距离发生变化的时候，其点与点之间的间距不发生改变。

提出了一种全天时大气温度探测的纯转动拉曼激光雷达系统,选用Nd…YAG脉冲激光器的四倍频输出266.0 nm作为激励波长,避开了强烈的太阳背景光对系统探测大气温度的影响。设计了一种新型三次衍射式双光栅多色仪作为激光雷达的分光系统。仿真结果表明,双光栅多色仪可实现Stokes与Anti-Stokes高低量子数通道转动拉曼谱线的有效提取,对米-瑞利弹性散射信号的抑制率可达到60~70 dB。充分考虑臭氧吸收和荧光对系统探测性能的影响,所设计的日盲紫外纯转动拉曼激光雷达采用模拟探测模式可在12 min的积分时间内实现2.2 km高度范围内大气温度的全天时探测。

为了解决光栅制造误差影响莫尔计量精度的问题,运用傅里叶光学理论和坐标变换方法给出了完整的莫尔条纹透光函数表达式，并用线性系统叠加理论对光栅误差函数进行模拟，再用得到的莫尔条纹模型对光栅误差进行仿真，获得了短周期误差和长周期误差的莫尔条纹波形，最后对误差仿真结果进行了分析和验证。结果表明，光栅短周期误差造成莫尔条纹信号波形出现高次谐波干扰，但数字滤波能有效消除其对计量精度的影响，而光栅长周期误差会严重影响光栅检测系统输出精度。