在基于保偏光纤的非通视方位传递系统中，针对经保偏光纤传输后出射光束直径太小的问题，可以引入扩束系统进行解决。透镜对偏振传输影响的研究是引入扩束系统的关键，但相关研究主要集中在对入射光不同偏振态单一因素的讨论。因此，以伽利略扩束系统为例，详细分析了透镜中偏振传输的过程，推导了含透镜参数的偏转角公式，仿真了透镜参数对偏转角的影响，最后验证了理论与实验结果的一致性。结果表明：透镜参数对偏振传输的影响使偏振方位角发生偏转，其中曲率半径与偏转角成反比关系；中心厚度与偏转角成线性关系；折射率和光斑半径与偏转角均成平方关系。该研究结果对在基于保偏光纤的非通视方位传递系统中引入扩束系统具有一定的指导意义。

通过弹性力学对自由边界条件下的矩形薄板结构进行理论分析，建立了薄板结构的几何、物理及平衡方程。通过分析薄板纯弯曲情况，求得其挠度曲线函数表达式。运用COMSOL软件对基于压电陶瓷(PZT)材料的方形薄板在该条件下进行仿真分析，并通过参数辨识对仿真与理论进行曲线拟合，验证了理论与仿真的一致性。通过实验测试验证了仿真数据的真实性，并在此基础上解出方形薄板的偏转角度，实现了薄板在激光通信领域中对光束的偏转，进而达到精确控制光束偏转角度的功能。

谐振腔通过增加光与原子相互作用的长度而增大探测光偏转角, 大大增强了原子磁强计的灵敏度。我们基于磁光旋转的铯原子磁强计, 在理论与实验上研究了磁场测量灵敏度的腔增强因子与腔镜反射率的关系, 得到在一定原子气室损耗条件下获得最优磁测灵敏度的最佳腔镜反射率。利用平凹驻波腔, 在特定的腔镜反射率, 原子气室对光功率的损耗分别为9.5%和8.5%, 对应的腔逃逸效率为38%和41%, 腔对磁场灵敏度的增强因子为4.4和5.1; 在保持光与原子相互作用强度的情况下, 随着原子气室对光场损耗的降低, 磁场灵敏度进一步增强, 腔增强效果更显著。

设计了一种适合集成的基于介质超表面的透射式光束偏转器, 可在1 550 nm附近的红外波段实现大角度偏转, 同时具有宽光谱、高效率的优势。根据广义斯涅尔定律设计并优化了光束偏转器的结构, 由横截面为梯形的非晶硅纳米柱周期性排列在石英玻璃衬底上构成, 相比于传统超表面采用多个纳米柱实现离散的相位梯度, 梯形纳米柱形成的连续相位梯度可以获得更好的偏转特性。利用时域有限差分算法对光束偏转器的效率、偏转角、宽光谱和入射角度依赖性等性能进行了仿真分析, 采用电子束光刻等工艺制备加工出上述器件并进行了测试。仿真结果表明: 偏转器在1 350~1 650 nm波段均具备良好的偏转特性, 平均透射率高于87%, 平均偏转率为81%; 器件在1 550 nm处实现了42.8°的大偏转角, 透射率为84%, 偏转率为80%, 且允许入射角度在-10°~5°变化。实验测试结果表明: 对于1 550 nm波长, 光束偏转角度在41°附近, 器件透射率约为76%, 约35%的入射光偏转到目标角度。上述方案为近红外超表面器件的设计提供了新的思路, 实现了效率、偏转角和适用波长的优化, 透射式光路更加适合集成, 应用潜力更大。

为实现三维空间光束指向控制,提出了一种基于介电润湿效应的液体棱镜阵列系统。根据几何光学和介电润湿理论,推导并分析了光束转向角与液体棱镜单元的最大偏转角、介电润湿接触角、棱镜单元间距及液体折射率等因素之间的关系;通过COMSOL构建介电润湿液体棱镜阵列模型,仿真了电压控制下液体棱镜单元内双液体界面面型的变化过程,模拟再现了该液体棱镜阵列对光束指向的控制特性。结果表明,基于介电润湿技术的液体光学棱镜阵列在一定范围内可实现对光束指向的连续控制。通过选取特定的液体组合,饱和接触角降低到45°,棱镜单元的光束转向范围可提高到28°(-14°~14°)。当光轴间距r为6 mm时,液体棱镜阵列系统可以实现在28°圆锥区域内的连续控制,且圆锥顶点位于Z轴22.58 mm位置处。

分析了基于法拉第调制的线偏振光旋转角检测技术的基本原理,证明输出信号基频分量的振幅与偏振面旋转角θ成正比,仿真发现基频分量远小于零频和二倍频分量,需采用锁相放大技术进行基频信号提取。实验采用ZF7玻璃和TG28晶体作为旋光介质,分别制作了标准旋转角产生装置和偏振面调制装置,并结合锁相放大器搭建偏振光旋转角检测系统。实验结果证明,当法拉第调制频率为1.45 kHz、调制幅度为0.035 rad时,该方法可以实现6.3×10-8rad的微小偏转角检测。

针对传统数字散斑干涉难以实现简便快速的动态测量的问题, 本文提出一种基于偏转角的空间载波相位检测技术。该方法根据散斑干涉测量中反射镜的偏转实现空间载波, 物光与偏转参考光干涉形成干涉光场, 记录了载波信息。干涉光照射到CCD 靶面, 采用CCD 阵列上相邻三个像素计算得到光干涉场的相位信息, 从而通过单幅散斑干涉图像解算光干涉场的相位信息。实验结果表明, 与传统的相位检测技术相比节省了测量和计算时间, 简化了测量系统结构, 算法相对简单, 达到快速相位检测的目的。

为了研究断裂力学问题中裂纹尖端区域的局部变形场和断裂特性, 采用数字梯度敏感法对带有中心贯穿裂纹的有机玻璃有限宽板条进行了静态实验研究。实验过程中通过CCD记录裂纹尖端区域不同应力状态下的散斑图, 对记录的散斑图进行相关运算, 得到了不同应力状态下裂纹尖端周围区域内的光线偏转角, 并通过偏转角对Ⅰ型裂纹的应力强度因子进行了提取。结果表明, 通过数字梯度敏感方法计算得到的应力强度因子与理论值吻合相对较好。

介绍了自然旋光与法拉第效应偏转角的测量方法,讨论了两种效应下偏转角的影响因素,说明了两种效应的应用领域。由分析得到:自然旋光偏转角的大小只与晶体有关,与磁场无关,而旋光方向与光的传播方向有关;法拉第效应偏转角的大小正比于磁感应强度,其偏转角旋光方向只与磁场方向有关,与光的传播方向无关;光往返通过自然旋光晶体时,偏转角相互抵消,磁致旋光晶体偏转角则实现累加。利用晶体的法拉第效应,可将其制成光学隔离器或单通光闸等器件。

通过测量晶体全口径正交偏振透射波前的干涉数据，建立了计算KDP晶体最佳偏转角的理论模型，并通过实验验证了理论的正确性和有效性。在探针激光工作稳定及环境温度稳定的情况下，理论预测值与实验结果的变化趋势相同，且差值在10.0 μrad以内。分析了影响测量精度的各种因素，找出了理论预估值与实验结果产生差异的主要原因。由单点模型推广建立了全口径KDP晶体最佳偏转角的计算模型，并且数值模拟了KDP晶体折射率不均匀性对晶体全口径最佳入射角和转换效率产生的影响。得到的结果为工程上实现大口径KDP晶体精密装校提供了理论指导。