涡旋光束可以有效提高通信系统的信道容量,但大气环境下光通信信道受大气湍流的影响,因此研究涡旋光束大气湍流传输特性具有重要意义。大气湍流广泛采用Kolmogorov谱模型进行描述,但对大气湍流的进一步研究表明,大气湍流还具有非Kolmogorov谱特征。开展了非Kolmogorov谱湍流下涡旋光束传输特性的研究,基于数值方法研究了湍流内外尺度、广义指数因子、折射率结构常数对拉盖尔-高斯光束在不同传输距离下的螺旋谱分布、拓扑荷探测概率等参量的影响,仿真结果表明,拓扑荷探测概率与以上参量密切相关。最后,提出了一种数值计算涡旋光束闪烁指数的方法,并据此计算分析了大气湍流对通信误码率的影响。结果表明,即使在弱湍流中传输至1000 m处,误码率也很难达到通信要求,因此有必要采取进一步的相位校正措施。

为了提高空间飞行器的快速入轨能力, 满足空间飞行器弹道/轨道设计工作的快速、精确、可靠要求, 对空间飞行器弹道/轨道一体化快速设计方法进行了研究。首先, 对空间飞行器进行动力学建模, 分析弹道/轨道一体化设计需要满足的过程约束和终端约束, 给出空间飞行器的飞行时序; 为保证求解效率, 针对传统的弹道设计数值求解算法进行了创新改进, 综合应用改进牛顿迭代法、Broyden秩1方法和最速下降方法, 保证算法在初值不准的条件下仍能快速收敛; 最后, 研究了一种新的内外多层次求解策略, 同时将弹道段和轨道段分轮进行一体化设计, 进一步提高了算法的可靠性。仿真结果表明, 本文所研究的空间飞行器弹道/轨道一体化快速设计方法可在30 s内实现弹道/轨道设计, 设计精度为0.5 m。该设计算法可靠、快速、精确, 可应用于空间飞行器的快速入轨设计中。

在高功率激光的诱导下,光学薄膜元件吸收激光能量从而使能量聚积继而产生热能,导致薄膜内的温度急剧升高。局部温度上升使得薄膜内部产生热应力。热和力的相互转化、相互作用最终导致薄膜层的熔化、破裂等破坏。从热力学理论出发,建立了单层薄膜内部温度场模型,利用积分变换法求解并获得了温度场数值分布,用Matlab对温度场的分布进行了仿真,得到薄膜任意时刻在厚度方向及半径方向的温度分布。结果表明,所获得的数值解准确反映了激光诱导光学薄膜所造成的温度效应,为薄膜设计与制备以及激光薄膜损伤识别研究提供了理论基础和依据。

提出了一种在线测量杜瓦辐射漏热、传导漏热及总漏热的数值方法。该方法利用了杜瓦冷头温度变化与辐射漏热、传导漏热之间的函数关系，通过对冷头的温度变化曲线进行数值拟合，逆向导出冷损的表达式。在不破坏原有杜瓦与制冷机耦合状态的情况下同时测出杜瓦的辐射漏热及热传导漏热，不但解决了热学异常的原因定位问题，也给出了在各个温度下的两种漏热具体值。试验结果表明，该方法简单高效，测试结果可靠，为杜瓦的热学设计及热学失效分析提供了有效的试验验证手段。

受振动的影响, 在积分时间内, 光学系统成像是一个动态过程。对于动态成像, 常采用动态调制传递函数(MTF)作为评价振动对像质影响的工具。针对动态MTF, 提出一种适用于任意运动形式的数值计算方法, 该方法还可以扩展到计算二维运动时的动态MTF。该方法可用于预估和评价动态成像系统的成像质量, 计算的结果还可用于运动模糊图像的仿真与恢复。鉴于在低频振动情况下, 光学成像系统具有随机的动态MTF, 给出平均MTF的数值计算公式, 据此分析了不同情况下的成像质量。以奈奎斯特频率处动态MTF不小于0.95为约束条件, 给出了可允许的振幅容限, 为视轴稳定机构的参数确定提供了依据。

针对金属微纳结构在表面增强拉曼光谱领域的应用，研究了金属基底亚波长单槽结构产生的电磁场增强。采用全矢量方法严格计算了平面波照明下金属槽外部区域电磁场的分布情况。建立了法布里-珀罗(F-P)半解析模型，该模型能够精确预言全矢量方法的计算结果，能够节省设计最优槽深的计算量。基于该模型分析了金属槽外部区域电场增强的物理机制，结果表明达到相长叠加共振状态的金属槽内基模在槽外空间中激励的透射电场是金属槽外空间中电场增强的主要来源。研究了槽外空间电场增强的范围，结果表明对于不同的槽宽和入射波长，在垂直距离槽口0.1倍波长的范围内电场增强较为明显，在该范围之外，电场增强因子迅速衰减到1的数量级。

构造了减少光子奇对相干态与减少光子偶对相干态，并用数值模拟方法研究了它们的非经典特性。结果表明，从奇对相干态与偶对相干态的第一个场模取走光子，可以显著地增强第二个场模的光子统计亚泊松分布特性；从奇对相干态的第一个场模取走光子后，在双模光子消灭算符本征值的模较小时可以增强第一个场模的光子反聚束性质。从偶对相干态的第一个场模取走光子，在双模光子消灭算符本征值的模较小时第二个场模的光子反聚束效应得到明显增强。

利用数值方法计算了铯原子的Stark结构，经过对氢原子的数值计算与解析结果的对比，确认我们的计算程序是精确的。实验工作在超冷铯原子中完成，利用共振增强多光子电离光谱方法测量了铯原子n=16附近的Stark光谱，理论计算和实验结果相一致。

构造了叠加激发双模SU(2)相干态｜ψ=Cm(｜M,ξ;m+ei｜M,ξ*;m)，用数值方法研究它的量子统计特性。结果表明：叠加激发双模SU(2)相干态两场模的光子统计分布保持反关联特征，而且呈现奇特的光放大特性；b模光场的亚泊松分布得到比较大的加强，而a模光场的亚泊松分布特性则有轻微减弱；两场模的反聚束性均得到增强；随激发量子数m的增大，两场模间的反关联性减弱。

以双中心模型为基础, 理论研究了LiNbO3∶Fe∶Mn晶体在稳态情况下的非挥发双光双步全息存储性能。采用数值方法, 通过比较深（Mn2+/Mn3+）、浅（Fe2+/Fe3+）能级之间所有可能的电子交换过程, 发现由隧穿效应引起的深浅能级之间直接电子交换过程对总的空间电荷场的大小起着决定性的作用。同时, 这一电子交换过程对晶体非挥发全息存储性能也起着至关重要的作用。此外, 还从理论上证实晶体中总的空间电荷场的大小主要由深能级的空间电荷场所决定。