利用光子追踪法建立了大气直视信道模型, 仿真分析了信噪比(SNR)、比特率和能见度三者对自由空间光通信误码率的影响。选用1.55μm和10.6μm两个波长作对比分析, 结果显示两种波长的误码率随SNR的增大而减小, 随比特率的增大而增大。在能见度较低时, 10.6μm激光的误码性能优于1.55μm激光, 并且在低SNR和高比特率的情况下, 这种优势越发明显。在能见度较高时, 两种波长的误码性能相差无几。

激光在雨中传输时，会受到雨滴的散射和吸收作用导致功率衰减。首先，根据Mie散射理论，给出雨中消光系数的计算方法。其次，介绍了Joss和Weibull两种雨滴尺度分布，通过对比分析得出结论Joss分布更加准确。最后，利用Matlab对远红外激光在雨中的消光系数和链路损耗进行分析。结果表明：消光系数随降雨量的增大而增大; 利用光子追踪法计算得到的链路损耗，由于考虑了光束发散角、接收视场角和散射能量，较朗伯-比尔定律更加贴近实际情况。

圆柱筒式脉冲均匀光源在各种光学标定中有广泛应用。应用Monte-Carlo方法对光子进行跟踪模拟，通过变权重法和固定权重法两种算法得到出光面接收的相对光照度。当内壁反射类型、光源的位置、圆柱筒的高度与直径比不同时，出光面形成的光照度均匀性不同。通过模拟结果可知，当内壁为漫反射时，圆柱筒长度与直径比越大，出光面的光照度越均匀; 但当比值大于3/2时，均匀性已无明显变化。最终得到满足标定实验要求的圆柱筒的最佳结构。

闪光灯反光罩结构设计的目标是使得所拍摄视场内的光能量分布尽量均衡。不同于基于几何光学理论的闪光灯计算和设计方法, 采用了蒙特卡罗光子追迹法来分析闪光灯的结构设计。通过对照相机闪光灯几何结构的分析, 引入余弦随机变量等方法, 建立了闪光灯系统中光源、反光罩、菲涅耳透镜等部件的数学模型。先用蒙特卡罗光子追迹法模拟了单光子在闪光灯中飞行的各种可能状态, 再通过产生大量光子仿真真实的情况。并对一个具体的闪光灯结构进行了计算, 计算得到了光强和光子方向矢量在水平、垂直两个方向的投影角之间的分布曲线图。仿真结果符合设计要求并与实测曲线很接近, 从而验证了蒙特卡罗光子追迹法在闪光灯结构设计中的可行性。