水-光耦合传输效率是实现水导激光可加工性的前提与效率保证。为了研究水导激光中水-光耦合传能规律, 得到较高的水束中激光功率传输效率和均匀的激光功率密度分布, 采用光线追迹原理及物理光学传播方法, 仿真分析了1064nm激光束聚焦后的光束特性及水-光耦合后水束中激光光斑分布形态, 并对不同水束长度下激光功率传输效率, 以及不同功率、压力和水束长度下激光功率密度分布情况进行了系统的实验检测分析。结果表明, 随着水束长度的减小, 1064nm激光在水束中功率传输效率越高, 在水束长度为20mm时, 激光功率传输效率可达63.6%; 激光功率的变化对水束中激光功率密度分布影响最大; 当激光功率不变时, 在水束稳定长度范围内水压的增大有利于水束中激光功率密度均匀化分布, 而耦合水束长度的减小可以提高激光传输效率。研究结果为提高水导激光中能量利用率有一定的指导意义。

单像素成像的图像复原依赖于单像素接收信号和调制光源的关联,包括计算鬼成像和压缩感知成像两种方案。其中,计算鬼成像利用光源和单像素信号之间的高阶强度关联函数复原图像,而压缩感知成像采用优化压缩感知算法复原图像。单像素成像实验采用的光源种类繁多,既包括热光、X射线、电子、中子、单光子源等物理光源,也包括由空间光调制器和数字微镜等系统调制的人工光源。这些光源遵从不同的统计概率分布,照明物体的光场强度可看作统计独立的连续或离散随机变量,也被称为参考信号。单像素信号是所有参考信号的线性组合,根据光源的统计性质确定了参考信号与单像素信号之间的联合统计概率分布。此外,还研究了参考信号概率分布函数对关联鬼成像图像质量的影响,为单像素成像提供了物理和统计理论基础。

目前提出的频谱占用模型能够在时域上描述和重现基本的统计特征，如传统的地面移动通信的频谱占用/空闲周期长度可以用经典的广义帕累托(GP)分布、指数分布等分布来拟合。然而在某些复杂的如卫星链路频谱占用场景中，传统的参数估计分布无法给出良好的拟合。为此提出了用核密度估计(KDE)的方法来进行概率密度分布的拟合，在此基础上，分别采用差分整合移动平均自回归模型(ARIMA)和模糊神经网络对频谱占用模型的时间序列进行预测并进行对比。结论表明，核密度估计的使用可以更加准确地描述并再现卫星下行链路所使用S频段的占用时间序列的统计特征，而模糊神经网络的预测比ARIMA模型预测更加精确。

为了研究雪崩光电二极管(APD)对大气传输后的激光进行探测时, 所受大气湍流效应及APD噪声的影响, 分析了激光在湍流大气中传输、APD对激光探测两个过程, 结合APD的探测原理, 建立了指数威布尔-高斯双重随机过程模型。通过实验测量了不同信噪比、不同大气湍流下APD输出电流的概率密度, 对探测距离不同、接收口径不同的情况进行了仿真。结果表明, 接收信噪比为2,5,10时, 光强分布方差分别为0.5354,0.3565,0.2781, 偏移量分别为0.05,0.0109,0.0029; 大气折射率结构常数为2.5×10-15,3×10-14,4.9×10-14时, 方差分别为0.1198,0.2781,0.4035, 偏移量分别为0.0002,0.0029,0.0039; 双重随机过程模型可准确描述经过大气传输的激光被APD探测的过程; 探测器口径的变化对APD输出电流的概率密度影响不大, 而接收信噪比、探测距离、大气折射率结构常数的增大会使APD输出电流平均值较信号电流产生较大偏移、且离散程度加剧。该模型的建立对激光探测技术研究具有一定的参考价值。

基于光路复用机理，提出了一种激光近程动态扫描探测方法。基于重尾函数建立了一种脉冲激光发射波形数学模型，推导了脉冲激光近程动态探测冲击响应及回波方程。建立了一种脉冲激光测距概率统计分布模型，研究了脉冲激光发射功率/脉宽、阈值检测电压、等效均方根噪声电压以及激光出射角对测距概率分布的影响机理。结果表明：随着发射功率的增加，测距精度提高且分布曲线逐渐偏离真实值；测距精度随着激光发射脉宽的增加而递减；随着阈值电压的提高，分布曲线向右移动；距离测量分布曲线随着等效均方根噪声电压的增加而宽度增加、幅值减小；随着激光出射角度的增加，测距分布曲线向右移动，测距精度随之降低。

当前传统点对点激光通信技术已经得到了长足进步, 为了探索在有限范围内实现局域激光广播的有效手段, 提出了一种适用于短距离水平链路激光广播的有效方法, 设计了相应的验证性广播通信系统, 并在光功率最优分配的角度上对激光广播进行了系统建模研究。首先, 从光功率衰减的角度对激光扩束理论模型和平行光幕理论模型进行了分析和对比, 揭示了平行光幕通信模型的光功率损失模型; 其次, 结合高斯光束光学成像变换理论模拟了平行光幕的远场场强分布情况, 通过一个领先的光学和照明设计软件, 揭示了光幕远场分布与传输距离的关系; 最后, 通过在不同信道环境下的野外通信实验验证了平行光幕理论模型的优越性与可行性。

基于液晶空间光调制器进行了Non-Kolmogorov湍流的室内模拟实验, 并对光强概率密度分布、光强闪烁指数及光强时间频谱进行了分析, 完成了模拟实验结果与相关湍流理论之间的对比验证.实验结果显示：在弱湍流下, 归一化对数光强近似服从正态分布, 且随着湍流强度的减小, 正态分布拟合系数增大; 光强时间频谱高频段的幂律随着湍流功率谱幂律的减小呈减小趋势, 与理论分析一致, 但具体数值小于理论预测; 闪烁指数则随着大气相干长度的增大而减小, 在大气相干长度小于0.05 m的范围内闪烁指数急剧变化, 在大气相干长度大于0.2 m之后趋近平缓, 这一变化趋势与湍流幂律无关, 与理论预测一致, 表明湍流模拟实验能较好地再现湍流对无线光通信中接收光强的影响.模拟实验的误差分析表明, 不同强度湍流的模拟实验其误差主要来源不同, 可为实验的进一步改进提供针对性建议.

依据包层模有效折射率的概念及包层模场的光功率密度分布, 重新审视了镀膜长周期光纤光栅“模式转换”现象, 对“模式转换”给出了新的物理图像.通过修正镀膜长周期光纤光栅包层模有效折射率的范围, 指出有效折射率呈现的台阶式增长是各次包层模自身属性的反映, 不存在高次模式替代低次模式的过程, 并将“模式转换区”重命名为“模式垒区”.通过分析包层模场的光功率密度分布, 指出“模式转换区”较低次包层模式进入薄膜层传输说法的不合理性.研究表明, 当薄膜厚度达到一定厚度时, 包层模场光功率分布将愈加集中在薄膜层内部, 但并非沿着薄膜层传输.讨论了镀膜长周期光纤光栅传感器薄膜参数优化的问题, 在修正的包层模有效折射率范围和未修正的包层模有效折射率范围的情况下分别进行优化, 并对优化结果进行比较, 结果表明两种情况下的优化结果存在较大的偏差.从机理上解释了修正薄层模有效折射率范围后的优化结果的正确性, 为设计高灵敏镀膜长周期光纤光栅传感器提供了新的理论指导.

利用红光激光器、3M微晶棱镜阵列反光膜和长焦高速CCD相机构建的折返路径激光成像探测系统,进行了湍流大气中1 km传输路径上的 激光光斑回波成像探测实验,同时使用激光闪烁仪实时监测湍流强度变化。首先对获得的激光回波光斑图像的强度分布进行了 直观分析,比较了在不同湍流强度下折返路径激光光斑形态的差异,接着统计计算了不同湍流强度下,光斑光强概率密度分布与 光斑图像位置和区域面积大小的关系。结果表明: 折返路径下的激光传输光强起伏概率密度函数在光斑上的各处基本都 符合对数正态分布,但在质心附近的区域符合程度更高,且符合程度与接收面积大小呈负相关。同时湍流强度对回波 光斑平面上不同位置之间、不同接收区域大小之间符合正态分布程度的差异有一定影响。

解决轨道和电枢的烧蚀问题是六极轨道电磁发射器走向实际应用的关键环节，引起轨道和电枢烧蚀的原因之一就是轨道和电枢中电流分布不均匀。利用有限元仿真软件Ansoft Maxwell对三种不同轨道进行仿真，得到了电枢表面电流密度分布情况以及电枢受力。结果表明：矩形轨道对应电枢表面电流密度最大值在三种轨道中最小，凸出半圆形轨道枢轨接触面电流分布最均匀，在发射过程中可以有效减少轨道和电枢的烧蚀，凹陷半圆形轨道对应的电枢受力最大，可用于大质量物体的发射。