在激光尾场加速中, 光学注入是一种有效的可控电子注入机制。然而, 低电量、大发散度的电子束特性无法满足实际应用的需要。为获得大电量、高品质电子束提出采用紧聚焦的超高斯激光作为注入脉冲的新型注入方案。研究发现, 相比于普通高斯激光, 紧聚焦的超高斯激光不仅能够将电子束发散度降低近一个数量级, 而且能够保持电子束电荷量不变。通过哈密顿理论模型证实, 离轴电子是发散度的主要来源, 而紧聚焦的超高斯激光极大地限制了离轴电子的注入, 因此有效地降低了电子束的发散度。

为了满足自准直系统的高精度要求, 同时扩展其适用范围, 以便更好地应用于科学研究, 在光学自准直原理的基础上, 针对大口径细光束的自准直系统进行研究, 并对其误差源做了深入分析。对入射光束发散度引入的误差、CCD离焦误差、光学元件姿态引入的误差、反射镜平面度误差、准直系统瞄准误差以及原理误差这六种主要的误差源做了定量分析, 同时对外界环境条件引入的误差进行了定性分析。通过对上述误差的定量与定性分析, 可以直观地观察各误差源对系统精度产生的影响, 为后续大口径细光束自准直系统的设计提供了重要的理论支持。

将夫琅和费衍射积分中的贝塞尔函数用高斯函数近似,得到经圆孔径准直光学系统衍射后高斯光束远场发散角的近似解析式.在不同衍射情况下,将其与严格夫琅禾费衍射积分进行比较,发现二者求解出的远场发散度接近.衍射孔径大小相同情况下,近似解析式与真实值的误差随准直前光束初始束腰的增大而减小;初始束腰不变的情况下,随着衍射孔径的增大,误差值略有上升,但最终趋于平稳.在初始束腰半径不小于2 μm的前提下,误差值最大不超过3.4%.该近似解析式在各种衍射情况下都能较为准确地表征准直圆孔衍射高斯光束远场发散度,且形式简单.对比不同衍射孔径和光束初始束腰条件下的光束发散度仿真结果可知,光束发散度随衍射孔径的增大而减小,随初始束腰的增大而增加.

提出了一种产生栅型结构光的新型光学系统，该系统由两个不同底角的双棱镜和一个柱面透镜组合而成。解决了单个双棱镜产生栅型结构光的有效区域小，无法应用于全场测量的问题。采用几何光学理论详细分析了产生栅型结构光的物理过程，给出了光束相关参数的计算公式。应用光学分析软件Zemax模拟了新型光学系统后不同位置处的光强分布及其随系统参数（光学元件的结构参数、元件之间的相对位置等）的变化；模拟结果与几何光学分析的结果基本一致。研究表明：平面波通过新型光学系统能够产生一种具有测量区域宽、发散度低、参数调节灵活等特点的栅型结构光。

研究了激光辐照金属丝产生电子束的自身磁场对其发散度的影响。通过理论分析和量级估算得到: 电子在金属丝附近运动时，同时受到金属丝电场和自身磁场的作用，聚集效应明显; 当电子离开金属丝后，空间电荷效应的库仑排斥作用与自身磁场的聚集作用量级相当，近似认为可以保持已经具有的发散度。利用经典轨迹蒙特卡罗方法模拟了该过程，计算结果表明自身磁场可以解释电子束的发散度及其对金属丝长度的依赖关系。

利用焦距为300 mm和1500 mm的透镜对纳秒激光束进行聚焦, 产生了在空间发散度上具有较大差别的两激光束, 采用飞行时间质谱计分别测量了两光束诱导C60分子电离和碎裂时的离子产物分布随激光通量的变化特征。实验结果表明, 激光束的空间发散度越大, 轻碎片离子C+n(n＜25)的总产额、C60分子的碎裂程度以及延迟电离产额随激光通量的变化趋势就越快, 延迟电离成分占总电离成分的百分比就越高。该实验结果可用多光子吸收的内能分布理论给予合理解释。

基于合成孔径激光成像雷达(SAIL)二维数据收集方程和成像算法, 研究了圆形孔径和矩形孔径光学望远镜天线的方位向成像分辨率, 导出了点扩展函数的解析表达式, 分析了理想成像点尺寸及其光学足迹中心偏离、相位二次项匹配滤波失匹、空间采样宽度、采样周期等的影响; 也研究了距离向成像分辨率并分析了非线性啁啾补偿等的影响。对于各种影响因素都给出了数学判据, 特别是发现了矩形孔径的光学望远镜可以产生适合于SAIL扫描方式的矩形光学足趾并消除方位向分辨率不均匀降低, 可以设计最佳的矩形孔径的尺度分别控制光学足趾在方位向及其垂直方向上的尺度, 得到大扫描宽度和高方位向分辨率; 也发现了目标外差延时必须尽量小以克服非线性啁啾和初始光频不稳定性相位误差。

由于受激布里渊散射(SBS)介质大多为液体和气体，当提高重复运转频率或延长泵浦脉冲的持续时间时，其中的热积累和热驰豫将严重影响甚至破坏SBS的形成及其共轭品质。为改善SBS在高重复频率下的工作性能，实验考察了具有SBS相位共轭镜的MOPA(Master－oscillator－power－amplifier)系统中泵浦光发散度对布里渊池重复运转特性的影响。结果表明：降低泵浦光发散度有利于提高布里渊池的重复运转频率及改善SBS的时空特性，但会增加SBS阈值，减小布里渊池工作的泵浦能量范围，同时，保真度略有下降。

依据夫琅和费衍射理论,通过引入高斯变换,即把夫琅和费衍射积分中的贝赛尔函数用一高斯函数来近似,详细分析并推导出圆孔限制下具有相位变化的高斯光束远场发散度的近似计算公式.与传统数值积分求光束发散度相比,它避免了繁琐数值积分,其误差不超过3%.

The approximative formula for the far-field diffraction of a Gaussian beam through a circular aperture is obtained by using the superposition of Gaussian beams instead of the aperture function, and the explicit expression for calculating the beam divergence is also gained. Using the formula, the influences of the aberrations on the far-field wavefront and the beam's divergence are researched, and the results show that the large aberrations badly affect the far-field wavefront and the divergence. It is suggested that the aberrations and the diffractions should be avoided when designing the transmitter.