建立了包含1/2波片(HWP)和1/4波片(QWP)快轴装调误差的Stokes矢量测量误差方程。分析了波片快轴的装调误差对7种典型基态入射光的Stokes矢量测量精度的影响,推导了任意入射光Stokes矢量测量误差的表征方法。仿真结果表明,偏振度越大,偏振测量误差越大,选取入射光偏振度为1时的偏振测量精度评估系统性能。提出了一种波片快轴装调误差的优化方法,当测量矩阵的条件数小于1.84时,选取0.772/0.228的分束比可使波片快轴装调误差对系统偏振测量精度的影响最小。为满足2%的偏振测量精度,HWP的快轴装调误差应在±0.15°内,QWP的快轴装调误差应在±0.52°内。

为了对一种修正式对称分束Wollaston棱镜的分束特性进行系统分析,利用折射定律和菲涅耳公式,以632.8nm波长为例,给出了出射光与水平方向的夹角随修正角、结构角之间的变化关系曲线、光强分束比随结构角的变化关系以及入射角对棱镜分束角和出射光束对称性的影响曲线。结果表明,通过对出射端面的修正可以实现Wollaston棱镜的严格对称分束; o光、e光分束角主要取决于棱镜结构角,受棱镜修正角影响较小;光强分束比随结构角的增大变化幅度较小; 当光线以小角度入射时,入射角主要影响棱镜分束角对称性; 入射角在-3°~3°之间变化时,两出射光线的不对称度小于6°,可以保证较好的对称分束效果。该研究为该棱镜的设计和应用提供了理论指导。

提出了一种提高扫频光学相干层析成像(SSOCT)系统灵敏度的方法。在SSOCT系统中, 当平衡探测器前耦合器的分束比不是50%∶50%时, 会在探测的干涉信号中引入直流偏置, 从而影响系统的灵敏度。分析了干涉信号中引入直流偏置时耦合器分束比对系统灵敏度的影响, 证明了通过调节耦合器的分束比并增加参考臂能量的方法可以提高系统的灵敏度。基于实验中SSOCT系统各器件的参数, 对系统的灵敏度进行了数值模拟, 模拟结果证明了所提方法的有效性, 灵敏度测试实验结果表明应用所提方法后系统的灵敏度提高了2.3 dB。

为了解钒酸钇Wollaston棱镜的分束特性, 通过棱镜中的光路分析, 得到光束正入射时o光光束和e光光束的分束特性公式, 并用MATLAB软件拟合得到棱镜的分束特性关于入射光波长和结构角的变化关系曲线。结果表明, 对于一定结构角的棱镜, 其分束角具有明显的色散特性, 波长越短, 分束角越大, 且变化也越快, 在红外光谱范围, 波长对棱镜分束角的影响减小, 其分束角趋于稳定; 分束角的对称性受波长变化的影响较小, 应用中可以忽略。棱镜的结构角与入射光波长对棱镜的透射比均有影响, 当棱镜的结构角一定时, 透射比随入射光的波长呈振荡性变化, 且o光透射比的光谱效应更为明显。该研究可以为棱镜的设计制作和实际使用提供有价值的参考。

为了提高激光测速系统的探测灵敏度，设计了马赫-曾德尔环形结构的平衡探测系统。基于光学多普勒效应，阐述了激光测速系统的工作原理，系统地阐述了平衡探测的实现方法，详细推导了平衡探测系统光电流的表达式，并分析得出其相对于相干探测的优势。利用光电流推导了平衡探测系统信噪比的表达式，并分析影响信噪比的主要因素。仿真实验结果表明：在相同输入光信号的条件下，无损耗分束镜的反射率在(0.2908,0.7092)区间内，或两个探测器的光电转换系数的比值在(0.4632，1)之间时平衡探测信噪比高于相干探测的信噪比。将平衡探测应用于多普勒测速，大大增强了测速系统的灵敏度。

根据折射定律结合棱镜的结构特点, 推导出了Wollaston式平行分束偏光棱镜所对应的切割角应满足的关系.利用菲涅尔公式和薄膜的光强透射理论, 推导出棱镜的光强透射比、光强分束比和两出射光束的平行度表达式.通过Matlab数值模拟, 研究并实验测量了棱镜的光强透射比、光强分束比和出射光平行度随入射角或入射波长的变化关系.结果表明：出射光束的平行度与实验结果符合得非常好, 光强透射比规律与理论结果一致.Wollaston式平行分束偏光棱镜的光强透射比和光强分束比随入射角有微小的起伏变化, 当入射光束的入射角在-3°~3°的范围内入射或波长在(400~1 100)nm范围内变化时, 两光束之间的夹角不超过 0.42°, 平行度稳定性较好.

利用折射定律，介质膜两侧折射率不同时多光束干涉理论和菲涅耳公式，精确推导了双沃拉斯顿棱镜的光强分束比的具体表达式。以公式为基础，通过Matlab软件数值模拟作图分析光强分束比随入射角、入射波长和结构角的变化关系曲线。结果表明：在棱镜为介质胶合型时，光强分束比随入射角和入射波长的变化很小，光强分束比基本为1；棱镜为空气胶合型时，光强分束比随入射角，结构角和波长的变化很大。两种情况下，光强分束比随各参量的变化基本呈周期性变化。

建立了双平衡式外差探测IQ解调的数学模型，通过旋转λ/4波片来改变IQ信号间的相位差。从本振光强度过剩噪声、散粒噪声和热噪声三个方面对平衡式外差探测系统的信噪比(SNR)进行了仿真。仿真结果表明，当旋转λ/2波片使分束比在(0~0.272)和(0.728~1)范围内时，单源探测信噪比比平衡式探测的信噪比高；而分束比在(0.272~0.728)时平衡式探测的信噪比高于单源探测。搭建了2 μm双平衡式外差探测实验系统，当分束比为0.5时，平衡式外差探测的信噪比比单源外差探测的信噪比提高10 dB以上，从而证明了双平衡式外差探测系统在微弱信号检测中的可行性和优越性。

给出了平衡式相干探测系统的一般信噪比数学模型，对该数学模型和普通单源相干探测系统的信噪比模型进行了数值仿真对比研究。仿真结果表明，当平衡式相干探测系统中的光电探测器理想匹配时，其系统的信噪比以分束比系数等于0.5呈对称分布；而当光电探测器失配时，系统的最大信噪比所对应的最佳光束分束比发生偏离。最后搭建了2 μm平衡式相干探测实验系统，实验结果表明，在相同的输入光功率下，平衡式相干探测系统的最大信噪比比普通单源相干探测系统的信噪比高19 dB；平衡式相干探测系统的信噪比趋于饱和的范围比普通相干探测系统趋于饱和的范围宽大约0.2。