二向色镜及偏振分光棱镜作为常用的光学器件，近年来在大气探测偏振激光雷达中得到了广泛使用。但两种光学元件性能上的非理想特性与安装时存在的偏振误差夹角等问题在一定程度上会对大气探测后向散射光的退偏比造成影响。针对偏振激光雷达标定中通常只考虑偏振分光棱镜影响的问题，通过仿真模拟分别分析了二向色镜、偏振分光棱镜以及二者级联下对大气中气溶胶的退偏比影响，并给出了误差分析。以532 nm和1064 nm两种波长下的沙尘粒子与卷云的后向散射光作为输入进行模拟计算，结果显示，常用的长波通二向色镜对模拟输入光源在1064 nm透射通道下有7.111%的退偏比变化，在532 nm反射通道下有3.012%的退偏比变化。对偏振分光棱镜而言，输入为532 nm及1064 nm处探测的沙尘粒子退偏比会分别产生21.333%和27.3%的相对误差变化，532 nm处探测的卷云退偏比会产生14.2%的相对误差变化。两种光学元件在存在偏振误差夹角时均会带来额外的退偏比误差增量，在两种光学元件级联条件下，对模拟光源的退偏比也表现出累加性的误差增大。

运用经典系综方法研究了线偏振激光场和双色反旋圆偏振激光场中CO₂分子非序列双电离的产量。结果表明：在激光强度较高的区域，双色反旋圆偏振激光场下CO₂分子非序列双电离的产量高于线偏振激光场；在激光强度较低的区域，结果则刚好相反。这是因为当激光强度较低时，CO₂非序列双电离产量的主要影响因素是抑制势垒，当激光强度较高时，由于抑制势垒发生扭曲，其产量主要受激光场结构的影响。

为了研究超短超强椭圆偏振激光初始相位对于高能电子辐射特性的影响, 采用了Lorentz方程与电子能量方程构造高能电子与强激光场的对撞模型的方法, 并使用MATLAB进行数值模拟, 获得了电子的运动轨迹以及激光场空间辐射的功率与能量分布的数据与图像, 对不同的激光初始相位所对应的3维空间辐射特性进行了研究。结果表明, 当激光脉冲撞击电子时, 电子产生辐射, 且辐射功率呈现出双峰形; 高能电子的辐射功率图像在初始相位为0°, 180°和360°时表现为对称型双峰, 而在其它相位下则呈现出非对称型双峰。该结论为超短超强椭圆偏振激光的初始相位3维反探测研究提供了一定的基础。

为了探究激光的束腰半径b0对高能电子与激光脉冲对撞辐射特性的影响, 以Lorentz方程以及电子辐射方程为基础建立了紧聚焦圆偏振激光与单电子对撞模型。使用MATLAB进行数值计算, 获得了笛卡尔坐标系中电子的运动轨迹, 基于模拟计算的结果深入研究了紧聚焦圆偏振激光脉冲的束腰半径与电子间的辐射功率峰值之间的关系。结果表明: 当束腰半径较小时, 峰值辐射功率随着束腰半径的增大而增加, 在b0=1.7λ0处达到最大峰值辐射功率, 接着束腰半径的增大反而会引起峰值辐射功率的缓慢降低。此外, 寻找到了一个最佳的观测θ角区间［144°, 151.5°］, 在这一观测范围内能观测到较高的辐射功率, 且电子与圆偏振激光脉冲的对撞能产生超短阿秒脉冲。

利用经典系综方法，研究了氮气（N₂）分子在周期量级双色反旋圆偏振激光场中的非序列双电离（NSDI），发现在确定的激光强度下，随着激光波长的增加，NSDI的产量明显减小，这是因为电子波包的扩散作用。研究发现NSDI电离机制受到激光波长的影响，随着激光波长的增大，碰撞激发电离越来越占主导，这与第一个电子的返回轨迹和返回能量有关。讨论了NSDI的电子动量分布，电子动量分布随激光波长有明显变化，激光波长越长，“旋转三瓣扇形”结构越明显。

从信标光链路中高效地获取运动平台的姿态信息是运动平台量子光通信成功的关键之一。针对运动平台量子光通信的实际需求，提出一种探测载体平台旋转姿态角的信标姿态解耦方法，有望显著提高量子光通信的动态链接效率。经0°、45°、－45°偏振片起偏调整的RGB三色合束信标光，携带着载体平台的旋转姿态角信息，经自由空间传输后由地面接收系统解耦。接收端利用光电探测器获得信标光的三色光强值，根据三色光强值的差动、比值构造特征参数β，建立信标光旋转角θ与特征参数β间的关联曲线，利用该曲线反演载体平台的空间旋转角信息。分析θ在0°～90°的变化趋势及β的数值结果，并对不同距离下的测量结果进行误差分布分析。实验表明，所反演的信标空间姿态角度测量精度可以达到±0.05°。室内实验结果的3σ值小于0.5°；室外实验结果的3σ值小于1°。综合整体性能分析，所提方法具有测量运动平台空间旋转姿态角的能力，可用于在浮空平台或类似领域中进行姿态角度测量。

为了探究高能电子辐射与其初始位置间的关系, 依据拉格朗日方程构建了单个高能电子与高斯激光脉冲相互作用发生散射的模型, 并采用数值模拟的方法通过MATLAB获得了电子运动轨迹及散射光的空间辐射特性, 具体分析讨论了电子初始位置对空间能量辐射的影响。结果表明, 初始状态静止的高能电子经与线偏振紧聚焦强激光相互作用, 其在平面内沿+z方向先做振荡运动, 然后沿直线行进; 最大辐射能量及其辐射方向均受到电子初始位置的较大影响, 前者随电子初始位置朝z轴正向移动出现极大值, 而后者在方位角恒定的同时极角逐渐减小并最终稳定; 全空间最大辐射能量在电子初始位置位于(0,0,－7λ0)(λ0为激光波长)、极角和方位角分别为23.5°和180°时取得。此结果说明通过合理设置电子的初始位置可以获得强度尽可能大的辐射。

针对过冷云分布的探测, 设计了一种近红外机载偏振同轴微脉冲激光雷达系统。该系统采用波长 1550 nm 激光激励, 可有效减少云中小尺度气溶胶粒子的消光, 从而提高大尺度云粒子的探测距离和效率。通过非球形粒子的退偏比来甄别云粒子相态, 同时提出了云含水量的激光雷达反演算法, 并结合机载温度数据和对流层特征, 反演过冷云的空间分布。基于标准大气模型和机载仪器的云粒子谱数据, 仿真分析了不同激励波长偏振微脉冲激光雷达在两种对流层云中的探测性能, 结果表明下层云中的探测距离约为 1.1 km, 而上层云中的探测距离可达 1.5 km。