在同轴两片反射镜光学天线的空间激光通信终端中, 入射高斯光束的中心最高能量部分被次镜及次镜支架遮挡, 导致部分能量损失。为了减小能量损失, 提高系统发射效率, 将非球面整形镜应用在发射端准直扩束系统中, 实现高斯光束到平顶光束的整形, 以减小次镜及次镜支架遮挡损失的能量, 同时对光束进行准直扩束。所设计的非球面整形系统入射面直径d=3 mm, 出射面直径D=12 mm, 波长λ=1550 nm, 玻璃材料为BK7, 输出面上的光强分布接近均匀, 发散角θ=1.216 mrad。对比分析传统球面扩束镜与非球面整形扩束镜可知：同等参数条件下, 采用非球面整形扩束镜的发射端的发射效率提高了11.1%。

针对空间三维坐标的测量需求, 设计了3D激光雷达光学系统。系统采用发射/接收共光路的结构形式, 以高斯光学为理论基础, 采用Zemax光学设计软件进行仿真。该结构形式不仅提高了系统同轴度、减小外部干扰, 而且简化了系统结构、缩小仪器体积。系统采用扩束准直结构, 实现8倍扩束比。通过微小的调焦, 调整发射光学系统的第一片和第二片透镜之间距离在28.203～14.671 mm之间变化时, 实现了2～18 m的测量范围内, 测距精度0.02 mm+10 μm/m。

基于广义惠更斯－菲涅尔衍射积分公式，以高斯光束为激光束模型，推导了激光光束通过失调扩束准直光学系统的传输公式，分析了光学元件失调对扩束准直光学系统输出光束传输特性的影响，并在此基础上进行了仿真。实验结果表明，高斯光束通过失调扩束准直光学系统时，出射光束变为偏心高斯光束，光学元件失调程度越大，输出光束越偏离光轴，光束质量越差。在同样的失调下，长焦距光学元件对输出光束影响更大，因此在激光扩束准直光学系统中，调整长焦距光学元件更为重要。