随着激光脉冲宽度极限的不断突破以及峰值功率的不断提高，脉宽压缩光栅的尺寸需要进一步增大。但反射式曝光系统所需大口径长焦距离轴镜的高精度加工检测成为制约大口径光栅制作的难题。采用计算全息补偿检测不需要复杂的设计和装调，但同样会引入非回转对称和复杂的二维投影畸变。传统的畸变校正方法由于精度受限或计算复杂不利于工程应用。提出基于数值计算的畸变校正方法，该方法具有简单通用易于编程的优点。利用800 mm口径折反镜在直径为18 m光学平台上搭建了面形检测光路，通过系统误差标定去除以及畸变校正的方法实现了高精度面形测量，经磁流变迭代加工后，面形精度RMS可收敛至0.013λ（λ=632.8 nm），这为后续大口径反射式曝光系统的建立奠定了基础。

激光扩束系统可以扩大激光光束直径、压缩空间发散角，被广泛应用在激光测距、大气探测等领域。为了压缩激光扩束系统的外形尺寸，减小出射与入射光束之间的距离，设计了一种由多个共焦离轴抛物面镜组构成的多级反射式激光扩束系统。根据设计指标，计算了多级反射式激光扩束系统的系统参数，使用ZEMAX光学设计软件对单组扩束系统和两个多级扩束系统进行了仿真和公差分析，对比了单组扩束系统和多级扩束系统的尺寸和公差。结果表明，在比较宽松的公差范围内，多级扩束系统能够实现在更短距离上的高倍激光扩束。

针对离轴抛物面镜离子束修形过程中存在的热效应累积和迭代加工效率问题,提出了将总去除量按一定比例划分的分批次加工与变束径加工相结合的方法,并采用该方法进行工艺实验探索。对口径为110 mm、曲率半径为1732.7 mm、初始面形峰谷值(PV)为0.525λ(λ=632.8 nm),均方根(RMS)值为0.025λ的球面镜进行分批次变束径离子束抛光实验,最终加工得到顶点曲率半径为1728 mm、离轴量为85 mm、PV为0.36λ、RMS值0.029λ的离轴抛物面镜。对实验过程及结果进行分析,证明分批次加工方法有效消除了离子束加工过程中的热效应,通过变束径局部精修加工的方法可以减少迭代加工次数,提升加工效率。

扩束是超高峰值功率激光装置中必不可少的一环,由离轴抛物面镜组成的反射式扩束系统可解决传统透射式扩束带来的色散、色差及激光脉冲前沿畸变等问题。利用光线追迹法和惠更斯-菲涅耳原理对反射式扩束和聚焦过程进行分析,计算了在反射式扩束系统参数不同时,离轴抛物面镜失调对激光脉冲远场时空特性的影响,给出了激光脉冲斯特列尔比和峰值强度的误差允许范围。

基于严格的全矢量衍射理论，系统详尽地分析了装校失调对大口径离轴抛物面镜（OAP）光束聚焦特性的影响。研究结果表明，OAP的三维平动及绕z″轴偏离旋转后衍射焦斑形态没有发生改变，只是焦斑中心位置发生了偏移，利用瑞利判据获得了OAP的三维平动及绕z″轴偏离旋转公差的量化关系；当OAP发生绕x″或y″轴偏离旋转时会引起像散、彗差的出现致使衍射焦斑形态发生变化，产生严重畸变，大幅降低焦斑的峰值光强。并详细探讨了衍射焦斑峰值光强下降10%时容许的最大旋转偏离角与OAP离轴参量、光束参量的变化关系。因此，理解装校失调对光束聚焦特性的影响机制及变化关系，可以为OAP的精密调整提供可靠的理论依据。

为了提高传统球面镜腔3kW射频板条CO2激光器光束质量, 设计了新型抛物面镜负支非稳-波导混合腔; 结合标量光束的瑞利-索末菲衍射理论与特征向量法, 研究了大菲涅耳数下镜面类型对非稳波导混合腔光场传输特性的影响; 利用矩形波导理论、1维近似分析得出了波导传输损耗及偏振情况。结果表明, 将非稳方向输出镜和尾镜改为与光轴交点处曲率半径为R1=951.32mm和R2=1088.68mm的抛物镜面, 能够避免尾镜漏光, 可有效改善模式鉴别特性; 常用波导电极镀膜材料中, 镀铝电极内波导方向传输损耗最小, 传输光场为x偏振的EH1模。采用电极镀铝的抛物面非稳波导腔能够降低损耗、提升光束质量。

为了提高太赫兹成像速度, 设计了一种像面扫描太赫兹快速成像系统。它为反射式单像素探测器成像, 成像系统采用新设计的表面镀金的离轴抛物面镜结构以实现大口径、无遮拦、高反射率、高质量成像; 反射成像系统光学设计F数为2.93, 通光孔径为100 mm, 视场为±1°, 焦距为293.45 mm, 成像窗尺寸为64 mm×64 mm, 圆孔直径为2 mm, 扫描采集16×16像素图像时间为0.1 min, 32×32像素图像时间为0.42 min, 64×64像素图像时间为1.7 min, 空间分辨率为1 cm。扫描系统结合压缩传感成像理论采用新型像面扫描方法实现快速成像, 在系统焦平面位置加入旋转多孔盘, 对像面的图像进行太赫兹能量强度扫描, 使用金属光锥收集能量到高莱探测器。利用压缩传感理论的特殊条件(采样数目与图像像素数相等)进行像面图像采集, 然后利用正则归一化方程重构像面图像, 该系统具有成像速度快、分辨率高、低成本、结构紧凑合理的优点。

通常采用离轴抛物面镜来对双波段成像光学系统的光轴进行校准以便实现两个成像系统的像素级图像融合,但抛物面镜和点光源安装时所产生的误差会影响两个光轴的校准精度。根据几何关系及光学成像原理,推导了离轴抛物面镜对焦点附近点光源的成像公式,在此基础上分析了抛物面镜和点光源的安装误差对双波段成像光学系统光轴校正造成的影响。根据推导的误差分析公式可将可见光通道和红外通道双波段光轴的平行性误差控制在1个像素以内。

采用非稳腔结构的激光器，当系统的菲涅耳数较大时，球面腔镜尺寸随之增大，尽管可以获得高输出功率，但由于不满足傍轴条件，球面腔镜的球差对输出模式的影响变大。采用Fox-Li迭代算法，分析了腔镜类型不同时谐振腔有效菲涅耳数为675的2 kW 射频板条CO₂激光器的输出模式，并进行了实验研究。结果表明，当腔镜采用双球面镜时球差的影响显著，输出光束近似为球面波，输出平面上光束质量因子M² =14.48，光束质量差，聚焦后光束偏离光轴，难以实现高功率、高光束质量的激光输出；当腔镜均采用抛物面镜时球差的影响得以消除，输出光束近似为平面波，此时输出平面上光束质量得到改善，M² =3.96，实验结果与数值模拟结果一致。

：基于离轴抛物面镜的准直光学系统因其无色差、材料易得、工作谱段宽、无中心遮挡等优点被广泛应用于传感系统校准、辐射测量、红外目标模拟器等系统中。为了分析设计的准直系统是否满足实际需求，对准直系统输出的辐照度特性进行了理论分析及仿真研究。基于辐照度传输模型给出了准直系统输出面辐照度分布表达式，并给出了准直光束发散角与抛物面焦距、光源口径及离轴角之间等的定量关系。采用光线追迹方法仿真分析了准直系统在不同光源口径情况下的输出面辐照度分布情况，并对输出辐照度均匀性进行了定量分析。文中所提出的分析方法对提高离轴抛物面镜的准直性和输出辐照度均匀性有重要的意义。