为解决原子力显微镜（Atomic Force Microscope， AFM）系统更换探针后光路调整复杂耗时、精度不足的问题，本文首次提出通过精密控制探针与探针夹装配位置来实现更换的探针相对AFM系统原光路位置的一致，进而实现免去AFM系统换针后调整光路步骤。该系统的光路一致性组件采用光束偏转法对探针位置与偏转进行放大与监测，并使用高精度位移与角度调节平台进行探针相对于探针夹的方位调整。通过实物搭建对探针一致性效果进行了验证，并对紫外光（Ultraviolet， UV）胶水固化过程导致探针位置偏移影响；探针不同偏移量时产生的探测器噪音对AFM系统成像质量影响进行了系统分析。实验结果表明：经由该系统装配的探针平均位置精度接近1.1 µm；并且在AFM系统中更换一致性探针仅需8 s。该系统实现了高精度且质量稳定的探针一致性装配，极大地简化了AFM系统重新校准光路的操作步骤，其与自动换针装置配合可有效提升工业计量型AFM的操作与测量性能。

光束偏转技术是自由空间激光通信的关键组成部分，其性能决定了自由空间激光通信能否满足快速、稳定的通信需求。系统总结了机械式和非机械式六类光束偏转技术的国内外研究进展，根据不同技术的偏转特性，从关键指标方面比较分析了各类光束偏转技术的特点，并从空间应用性能需求的角度给出了发展趋势，展望了电光偏转技术在空间光通信领域具有很好的应用前景，为下一步的研究工作指明了方向。

向列相液晶是一种研究空间光孤子的绝好的非局域非线性介质。为了对向列相液晶中空间光孤子的偏转进行灵活的调制，设计了具有梳状电极结构的液晶盒。对这种定制电极结构的液晶盒施加电场可以实现向列液晶在周期阵列内的调制，从而实现了向列子和向列子对的可控偏转。在液晶分子的不同取向区域，入射激光束形成的向列子可以产生不同角度的偏转。当光束入射到定制电极宽度为910 μm的液晶盒中，通过改变光束的入射位置可以实现单光束约60°范围内的偏转。双光束入射到不同的位置可以形成多种偏转组合形式。改变光束的入射角度，可以观察到向列子对在界面处的非线性全反射。此外，将定制条纹电极的宽度更改为300 μm后，向列子对可以实现平行传输到相互会聚或发散之间的切换。这些关于向列子偏转的调控方法可以在全光电路和光通信中发挥重要作用。

增强现实（AR）近眼显示光学引擎是新型显示光学设计领域的研究热点之一，它将虚拟图像投射到现实物理环境中进行显示，在空间上增强、融合和补充了物理世界。AR 近眼显示光学引擎在光学系统集成化和微型化方面有较高要求，眼镜形态的AR近眼显示光学设备是未来必然发展趋势。光学超表面是一种由亚波长单元结构在二维平面上周期排布而成的人工结构阵列，通过单元结构和电磁波的相互作用实现对光场中振幅、相位和偏振的任意调控，同时具有体积小、效率高、结构紧凑等特点，在近眼显示应用中具有很大潜力。文中在AR光学引擎设计中引入一种传输相位型超表面光波导耦出结构，该超表面单元引入了突变相位，通过对超表面的等相位面调控改变光经过波导耦出的角度，使出射光效率最高达到77%，并实现20°视场角，为AR光波导结构设计提供一种可行方案，有望为下一代人机交互显示平台提供解决方案。

提出一种基于旋转双棱镜的光束复合跟踪技术，用于取代传统伺服转台实现精密的光学跟踪。首先，建立双棱镜的光束偏转模型，详细推导光束偏转矢量与双棱镜转角间的转换关系，并对跟踪过程中的棱镜旋转非线性问题进行了分析。提出基于快速反射镜进行光轴修正的双棱镜光束复合跟踪方法，通过建立偏转光轴与光学基台间的扰动耦合关系，实现了对双棱镜转速的实时补偿，并改进棱镜控制器以提高光束控制性能。搭建实验系统，对旋转双棱镜复合跟踪技术进行验证。在动态跟踪实验中，采用改进控制器的双棱镜的控制精度明显提高，相较于比例-积分-微分控制器和线性自抗扰控制器，所提出的改进控制器使棱镜的控制精度分别提高58.33%和32.81%，并使跟踪误差由改进前的49.03 μrad和38.88 μrad降低为31.15 μrad。开启视轴补偿后跟踪性能进一步提高，总跟踪误差降至7.49 μrad，跟踪精度提高4.16倍。实验结果表明，光束复合控制能有效提高双棱镜的跟踪精度，验证了所提方法的有效性。

非机械伺服控制的液晶空间光调制器（LCSLM ）通过控制加载在每个像素上的电压能够实时调制波前相位实现光束偏转，基于菲涅耳透镜模型和闪耀光栅模型验证了光束偏转控制能力，包括偏转距离、衍射效率与不同模型参数之间的关系，入射光波长为1550 nm时，x轴或y轴可实现的最大偏转角度为6.96°(±3.48°)，光束能够在光轴方向与二维平面偏移。针对光束的高速灵敏、精准和大角度的扫描应用需求，提出了基于LCSLM的光波前相位调控算法，通过计算需要补偿的相位建立相位变换模型并满足光束控制流程，设计并构建了基于LCSLM的光束偏转及扫描实验系统，实验结果表明光场中任意位置的光斑可在接收视场360°范围内灵活偏移控制。该研究对于自由空间无线光通信、光束敏捷控制、非机械式光束的捕获瞄准跟踪等领域具有重要的应用价值。