分析了Yb:YAG板条激光器波前畸变的基本特征，结合光斑形态和功率密度，提出了采用水冷式13单元一维变形镜和95单元二维变形镜相结合的双变形镜组合模式对Yb:YAG板条激光器的波前畸变进行闭环校正。针对输出激光的特征进行了校正需求分析和校正能力分析，以此为基础开展了一维变形镜和二维变形镜的仿真及优化设计，同步开展了哈特曼和高压驱动系统等硬件的研制。研制出的变形镜经受了满功率出光考核，验证了内循环冷却装置对水冷式变形镜的冷却效果，随后在闭环校正实验中，将激光器的开环光束质量β=9.03提升至闭环的1.98，验证了双变形镜组合模式的自适应光学系统对Yb:YAG板条激光器光束质量校正的能力。

夏克-哈特曼传感器是自适应光学中应用最广泛的波前传感器,它不仅可以测量大气湍流引起的畸变,还可以测量由风、温度变化和机械应力产生的镜面位置误差引起的像差。基于夏克-哈特曼传感器,推导了子孔径斜率与装配误差之间的函数关系,提出了一种基于光学系统失调前后点阵光斑质心偏差信息的计算机辅助装调方法,将装配误差求解问题转换成多目标优化问题,可采用多目标智能优化算法进行求解该问题。以某三反光学系统为例,基于Python和Zemax联合仿真进行模拟装调,仿真结果表明,经三次迭代可将失调误差校正到微米级,这可满足实际装调需求,结果验证了所提方法的正确性。

针对白天强背景条件下自适应光学系统哈特曼传感器信背比低、波前探测精度不高等问题，利用人造目标与强背景偏振特性差异，提出基于偏振调制的哈特曼波前探测方法，将传统的哈特曼波前探测从强度维度转换到偏振维度，有效提升信背比和波前探测精度。阐述了偏振哈特曼波前探测基本方法和原理，并通过数值模拟仿真验证了方法的正确性和准确性。研究结果表明：偏振哈特曼探测技术能够有效提升强背景条件下信背比和波前探测精度，显著增强自适应光学系统在强背景条件下的工作能力。

提出了一种基于离焦型夏克-哈特曼传感器的定量相位成像技术。该技术利用离焦型夏克-哈特曼波前传感器记录两种不同波长的光的照射下的强度分布图,采用双波长相位恢复算法进行相位恢复,获得了透过相位物体的数字光场,实现了纯相位物体成像。数值模拟结果表明该定量相位成像技术方法简单、精度高、收敛速度快,是一种非常具有潜力的定量相位成像技术。

自适应光学系统有效通光口径的变化会引起部分哈特曼传感器子孔径缺光以及部分变形镜驱动器失效, 造成系统子孔径排布和驱动器排布的匹配布局发生改变, 从而引起变形镜控制电压输入与哈特曼传感器反馈输出之间的对应关系发生变化。针对自适应光学系统有效布局变化的情况, 首先从理论上分析了系统不能稳定工作的原因, 并且提出采用0-1故障模型的新方法对自适应光学系统部分单元失效的情况进行建模, 然后针对经典比例-积分控制算法进行修正。最后通过实验证明, 采用0-1故障模型建模, 可以保证系统的稳定运行, 但自适应光学系统的部分单元失效, 会引起系统对波前像差的校正能力的下降。

夏克-哈特曼传感器的质心偏移估计精度受噪声的影响非常大，在传统质心法(CoG)中尤为突出，因而阈值的选取十分重要。本文提出了一种基于统计排序的局部自适应阈值分割方法，并与传统的全局阈值法进行对比，发现自适应的局部阈值能够更加有效地分割出阵列光斑，从而减小背景噪声对质心估计的影响，降低波面复原误差。本文通过静态相差的测量实验，从质心偏移估计的精度和波前复原精度两个方面进行分析，验证了该方法的有效性。另外，本文发现自适应阈值结合灰度加权的质心提取方法，是对传统质心法的较好改进，可以有效提高峰值信噪比大约10～40的光斑质心提取精度。

大气湍流参数是评价大气信道对空间激光通信系统性能影响的重要依据。根据机载平台的运动特点，采用差分像运动法并利用夏克-哈特曼传感器与指向、捕获、跟踪伺服单元等设备，在加格达奇地区开展了不同海拔高度下大气湍流参数的分层测量实验。结果表明，在Kolmogorov湍流条件下，该地区日间大气湍流强度随海拔高度的增加而减弱，并在该变化趋势上叠加了大气湍流强度的随机起伏；大气覆盖逆温层顶层海拔高度范围为2.2～2.8 km，海拔高度为3.5 km的大气相干长度的变化范围为10～26 cm。该研究为机载激光通信系统的性能分析提供了重要的参考。

传统波前复原方法利用获取的光强信息计算波前斜率或曲率，从而进行波前重构。基于微透镜阵列结构得到的光强信息包含更多的光场信息。基于微透镜阵列结构，分析了光场的四维参数化表征以及光场中空间-空间频率信息的获取与重构。建立了光场的空间-空间频率联合分布与Wigner分布函数的对应关系。提出了基于光场信息的哈特曼相位复原方法，建立了数值计算模型，并进行了仿真。仿真结果表明，基于光强信息的光场空间-空间频率联合分布相位复原方法可有效、快速地对低阶像差进行相位复原，误差较小。该方法在光学成像系统的像差探测补偿中具有广阔的应用前景。

：为了实现波前处理机脱离以哈特曼传感器为核心的波前探测光学系统，独立地进行处理机算法的设计和验证，采用软、硬件结合的方式，设计了哈特曼传感器输出图像仿真平台。上位机仿真监控软件采用VC和MATLAB联合编程，根据哈特曼传感器工作原理和结构，仿真生成哈特曼图像，并完成与硬件电路交互命令和传输数据的功能。以FPGA为核心的主控电路，完成发送响应信号、接收监控软件发送的读写指令、存储数据的功能，并根据实际CCD时序实时输出标准Camera Link接口格式的图像数据。经验证，软件仿真图像和实际输出相符；仿真平台输出表明硬件时序正确，满足设计速度要求。

四波前横向剪切干涉仪的出现为精确、快速地测试激光波前信息提供了很好的研究方法。概述了四波前横向剪切干涉仪的测试原理,对532 nm半导体激光器和ZYGO-GPI干涉仪标准激光源的光束波前进行测试,得到平均椭偏率分别为0.977和0.900。通过对测量数据与激光器标称参数对比分析得出四波前横向剪切干涉仪能够精确地测量激光波前信息。