环境扫描电子显微镜（ESEM）能够在低真空环境模式下对含水、含油以及生物等样品进行高分辨率观测。由于电子束通道与样品室间存在着极大的真空压差，采用真空差分结构会导致出现物镜的工作距离增加、偏转范围缩小、电子束和气体碰撞概率增加等问题，最终影响成像分辨率和效率。针对这些问题，本文从电子光学理论出发，综合考虑了ESEM中物镜结构和真空差分结构，将两者结合在一起进行优化设计，提出了一种具有可变真空结构的物镜设计方法，并搭建了实验平台，开展了物镜磁场测试、真空压差测试和分辨率测试。测试结果表明，在目前实验条件和133 Pa的低真空环境模式下，工作距离为15 mm时，20 μm×20 μm的扫描场对应的成像分辨率优于50 nm。

激光器谐振腔输出的光束呈高斯分布，需要通过光束整形来提高均匀性，以满足应用的需求。从光学系统的特性出发，总结归纳了当前主要的三种激光光束整形技术，包括光阑法、场映射器法和多孔径光束聚焦法，分别介绍了三种激光光束整形技术的基本原理、应用范围和主要实现方法，阐述了不同激光光束整形方法的典型应用和研究进展，最后，综合讨论了激光光束整形技术目前所面临的问题及未来的发展方向。本综述对激光光束整形技术的研究具有一定的参考意义。

消除拼接主镜式望远镜的分块子镜间的共相位倾斜（tip-tilt）误差是有效提升集光能力、实现共相位成像的关键之一。提出了一种基于相位传递函数（PTF）的分块子镜的tip-tilt高精度检测方法。在分块镜的共轭面处设置具有离散孔结构的光阑，将其作为tip-tilt检测系统的入瞳，借助傅里叶分析，推导建立了误差检测系统的PTF与tip-tilt的函数关系，通过对探测得到的点扩散函数进行傅里叶分析，得到PTF，依据建立的函数关系即可实现tip-tilt的高精度检测。对所提方法进行了仿真分析和实验验证，检测精度的均方根（RMS）值为2.99×10-3λ（λ为波长）。所提方法结构简单，只需要设置一个具有离散孔结构的光阑，可用于拼接式主镜、稀疏孔径系统的共相位tip-tilt误差检测。

针对飞秒激光逐点法制备的光纤布拉格光栅（FBG）损耗较大的问题，提出了一种基于小孔径光阑整形的低损耗飞秒光纤光栅制备方法。首先分析了孔径光阑限制下聚焦高斯光束焦场的能量分布，利用小孔径光阑整形获得了丝状焦场的孔径条件。利用小孔径光阑整形的飞秒激光刻写装置制备FBG，在光阑孔径由10 mm逐步降低至1 mm的过程中，光栅条纹形态由圆形过渡到丝状，丝状光栅条纹对入射光的散射更弱、耦合效率更高，使插入损耗由0.90 dB降低至0.11 dB，短波损耗由4.01 dB降低至0.35 dB。受包层模与纤芯模耦合的影响，短波损耗以振荡形式存在，实验验证了涂覆层和低反射率对振荡的抑制作用。

设计完成了一款具有特定结构的光阑, 光阑孔径深度设计为15mm, 光阑孔径张角设计为左右张角各为10°, 上方张角设计为6.5°, 下方张角设计为3°, 光阑安装在一级反射镜后, 光阑中心线与对应主光线重合, 同时采用双光电传感器与多温度传感器作为信号探测器接收信号幅值。通过特定孔径深度、张角等结构设计的光阑使得边界内、外幅值区分明显且幅值成正态分布, 结合传感器的使用将光照强度及像源面温度以数值显示, 便于检测标定。这检测设计光阑体积小、检测效果明显、成本低, 通过光阑与传感器的逻辑配合使用, 可以用于车载抬头显示器阳光倒灌的检测, 对车载抬头显示器行业起到一定借鉴作用。

光片荧光显微镜具有光毒性低和3D成像容易等特点, 逐渐成为生物医学领域的关键设备。运用ZEMAX设计了一款光片荧光大数值孔径显微镜物镜, 该物镜具有针对常用荧光波长(460nm/509nm/590nm/620nm)成像优化﹑引入光阑结构来使物镜景深可调等特点, 从而能提高对光片厚度的适应性, 减少杂散光干扰, 增加系统信噪比。系统末端设计了微透镜阵列, 参考CMOS传感器像素尺寸调节, 提高了系统能量利用率。物镜总长小于45mm, 数值孔径为0.7, 放大倍率为40x, 工作距离为0.4mm, 性能指标均满足国家标准。

根据全反射棱镜式环形激光器(TRPRL)的矩阵光学理论和环形He-Ne激光器内环形激光的工作理论,研究了TRPRL的激光模式选择技术方法,可令环形激光器内的顺时针和逆时针两个方向上的激光工作在单谱线、单横模、单纵模的状态,从而在环形激光器内形成稳定的驻波,输出到光电探测器上稳定的干涉条纹信号波形。采用缩短TRPRL的毛细管直径方法,可抑制3.39μm谱线; 由于TRPRL的特殊的环形激光器结构,采用分立式特殊结构设计的选频光阑,选频光阑可以放到环形激光器的光路任意位置处,而多个选频光阑即可有效抑制1.15μm的谱线; 根据不同波长激光腰斑半径的不同,在光腰处采用特制的椭圆小孔光阑,抑制0.63μm激光的高阶横模。对于TRPRL在全反射棱镜式激光陀螺(TRPLG)中的应用具有重要意义。

基于异形孔径光阑的成像系统像方光强分布计算对显微系统自动对焦、景深扩展等成像技术领域发展有极其重要的理论价值，而传统的菲涅耳衍射光强分布计算公式仅适用于轴对称孔径光阑，且在焦平面处光强分布的问题。利用标量衍射理论，通过结合频谱变换与正交分离，推导出适用于异形孔径形状、任意离焦量的像方空间光场强度分布数理关系式；并利用离散傅里叶变换原理，获得了基于异形孔径光阑的光学成像系统像方空间光强分布的数值计算表达式。在圆形孔径光阑、焦平面处，对获得的表达式与传统计算公式进行了对比计算与分析，两组计算结果完全一致。针对半圆形孔径光阑，在相同的系统参数下，在离焦量分别为0，4，8 μm三个像方位置处，数理模型理论计算的结果与实验测试结果基本一致。从而证明所推导数理模型的准确性，其可适用于任意形状的孔径光阑。