为了给航空动平台激光通信的附面层效应校正系统提供验证条件，设计了一种基于液晶空间光调制器来模拟附面层效应的模拟器。首先，从几何光学的角度分析附面层效应，将其等效为负透镜。然后，利用计算机对不同飞行条件下附面层效应与等效负透镜焦距之间的关系进行数值分析仿真。之后在液晶空间光调制器上导入不同焦距透镜的相位灰度图以实现变焦透镜的功能，通过改变变焦透镜的焦距来模拟航空平台不同飞行条件下的附面层效应。最后通过实验验证模拟的准确性，在环境温度下，模拟附面层效应的液晶空间光调制器得到的光斑图像由红外相机拍摄，之后进行图像处理分析实际光斑大小，并与理论计算光斑大小比较，得出误差曲线图。研究结果显示，基于液晶空间光调制器模拟附面层效应引起散斑效应的理论光斑大小与实际光斑大小的均方根误差为0.043 75，验证了所提出的方法的可行性和有效性。

在远距离激光通信系统中，为抑制复杂大气信道环境的影响，有必要对激光束散角进行实时调控。而传统光学变焦系统对激光束散角的调控精度不高，需要机械移动透镜组间距离，导致其灵活性和实时性差。本文提出了利用液晶空间光调制器（Liquid Crystal Spatial Light Modulator，LC-SLM）控制激光束散角的方法。通过LC-SLM模拟变焦透镜，由计算机生成不同焦距的相位灰度图并导入LC-SLM，利用不同的相位灰度图的灰度信息控制LC-SLM的外加电压以实现变焦透镜的功能；再利用变焦透镜与已知焦距的匹配透镜共同构成束散角控制系统，变焦透镜与匹配透镜距离恒定不变，通过改变变焦透镜的焦距实现束散角控制。研究结果表明，在基于液晶空间光调制器的激光束散角控制方法中，束散角变化值与理论值误差在5%以内，束散角的RMSE为0.017 5。与传统机械移动透镜组间距离控制束散角的方法相比，束散角均方根误差降低了22%，为激光参数动态调整提供了重要技术支撑。

针对现有水下光学系统中存在的主要不足，就某大视场水下连续变焦光系统指标要求，从水下光窗选型、光窗畸变、色差等的影响入手，分析了水下平板光窗引入的相对畸变和倍率色差特性，给出了相应的应对措施。结合水下工况对包络和工作距的要求，给出了一种三组联动的变焦系统设计模型和相应调跟焦组件的设计方法；通过在PNNP型结构中引入像差稳定镜组，对动态像差做稳定和补偿，改善了光学结构的像差校正能力，同时规避了凸轮曲线断点问题；通过在物方侧镜组中设置调跟焦镜组，保证了变焦全程对近景目标的清晰成像。完成了一个4 K水下大视场连续变焦光学系统设计，该系统工作距为0.5 m~inf，设计波段为0.48~0.64 μm，采用3840×2160高灵敏CMOS面阵探测器，像元大小为2 μm，变焦全程F数最大恒定为2.8，可实现全视场5.9°~62°、10倍以上连续变焦功能，具有较短的变焦行程、平滑的变焦轨迹、优良的成像性能等优点。

具有调焦功能的光学系统在空间探测领域中有着重要的应用需求。设计了一种基于自由曲面垂轴偏移的内调焦光学系统，该系统中采用特殊自由曲面面型结构，构建自由曲面透镜组，利用垂轴偏移的变焦特性，改善光学系统的成像位置，提升在空间环境多样性和宽物距成像的适应性能力。具体分析了自由曲面透镜组的调焦原理，并成功将自由曲面透镜组应用到焦距为100 mm的光学系统中，分析像距扰动和物距变化两种情况下的成像质量和偏移量。结果表明，光学系统的调制传递函数在奈奎斯特频率处大于0.3，满足成像要求，该系统具有成像性能稳定和微米量级补偿量等特点。

变焦光学系统是照相机、摄像机等许多光学器件中的关键元件，实现变焦光学系统的微小型化及增大系统的变倍比是一个长期目标。研制了一种三液体自变焦补偿透镜，可在外加电压作用下实现自变焦补偿功能，因此该透镜元件本身可以作为一个简单的变焦光学系统。通过高斯光学理论分析及Zemax模拟仿真验证了该系统的自变焦补偿功能。结果表明，该系统焦距变化范围为378～424 mm，变倍比为1.217，达到了预期目标，对变焦光学系统的研究具有一定的参考价值。