自由曲面具有良好的像差矫正能力，但没有足够的初始结构供设计者参考，因此研究自由曲面初始结构的设计方法是有意义的. 通常初始结构设计方法为大量点和光线的追迹或数值求解微分方程组，运算量大且复杂。文章从光学系统对光波变换的角度出发，推导自由曲面解析表达式，并设计一款工作波段较宽，相对口径较大的离轴红外光学系统，工作波段3~12μm，焦距300mm，F/2.5，视场角2.04°×2.56°，像质接近衍射极限且100%冷光阑效率，全视场波像差RMS值平均为0.059λ@3.67μm.

采用数值方法, 对平顶高斯光束在自由空间、单透镜系统和复杂光学系统中的传输特性进行了研究。结果表明: 平顶高斯光束在自由空间中传输时, 首先会产生凹陷, 形成两侧峰结构, 随后两侧峰会逐渐融合为单峰的类高斯结构, 并在相当长的距离内保持类高斯分布传输; 在单透镜系统中, 由于透镜的聚焦作用, 平顶高斯光束会在焦点处表现出强聚焦效应, 而随着传输距离的继续加大, 光束会再次恢复平顶分布; 在光阑和透镜组成的复杂光学系统中, 由于光阑的限制, 平顶分布遭到破坏, 在透镜焦点之后无法再恢复平顶分布, 说明在平顶光束光路中应当尽量避免光阑元件的干扰。

艾里光束作为一种具有自加速特性的无衍射光束, 在光镊、光学成丝、成像、表面等离子激发等众多领域都具有应用潜力。而在艾里光束基础上引入涡旋项可以丰富光场特性, 同时利用艾里光束特性与涡旋相位特性为光场分布调谐提供了更大的灵活性, 也引入了更多的动力学演化特性。以直角坐标和极坐标系下艾里光束的特性与应用为切入口, 系统介绍了各类艾里涡旋的参数调谐与演化特性, 包括直角坐标和极坐标系下单个艾里涡旋在各个情况下的演化特性、产生方式与应用, 以及直角坐标和极坐标系下的艾里涡旋叠加光束的奇特性质等, 为系统了解艾里涡旋参数及动力学特性提供参考, 进而为产生具有更加丰富性质的光场打下基础, 对扩大艾里涡旋的实际应用领域具有指导意义。

长期以来, 空中平台与水下平台之间的有效通信一直是一个具有挑战性的课题, 因为声波或电磁波只能有效地仅在海水或空气中传播, 而无法同时在这两种介质中高效传输数据。相比电磁波, 激光束能够穿透相当深度的海水, 因而自由空间光通信被认为是一种很好的空潜通信替代手段。众所周知, 吸收和散射引起的衰减是水下激光传播主要不利因素之一, 然而这只能通过加大发射功率来补偿。尽管如此, 即使发射功率大到能够保证一定的接收机灵敏度, 大气和海洋湍流引起的光强起伏也会在很大程度上降低链路性能。本文重点研究水下载具与空中平台之间的自由空间光通信链路中的湍流效应, 利用波动光学仿真, 研究高斯光束和环形光束在空-潜两段链路中的传播, 并根据数值结果对上行链路和下行链路之间的性能差异进行了比较说明。总体来说, 由于湍流的主要部分离发射机更近, 上行链路更容易受到湍流的影响。此外, 研究中还发现环形光束往往能产生较小的闪烁指数和较高的信噪比。本项工作能够为未来的空潜光通信系统的研究和发展提供有益的参考。

具有中心对称相干度分布的非均匀部分相干光, 即径向部分相干光束(RPCB), 可以有效降低大气湍流引起的光束闪烁, 改善接收质量。应用波动光学仿真方法, 比较研究了相干高斯光束、高斯谢尔模光束和具有凸型高斯型、超高斯型相干度分布的径向部分相干光束在各向异性的非Kolmogorov湍流中的传输特性, 从远场光强分布和孔径平均闪烁指数等方面分析了湍流的各向异性参数和非Kolmogorov功率谱指数对远场光束质量的影响。仿真结果显示, 光束的接收质量随功率谱指数的增大而持续劣化；同时, 各向异性湍流会导致远场光斑呈椭圆形分布, 因而在接收端使用等面积的椭圆接收孔径替代圆形孔径, 可以显著降低接收机的孔径平均闪烁指数。总体而言, 径向部分相干光束在各向异性非Kolmogorov湍流中, 特别是在接收孔径较小的情况下, 具有优于完全相干光和高斯谢尔模光束的传输性质。

以惠更斯-菲涅尔衍射公式为基础，推导了猫眼系统的回波光场，并以二维光栅作为凝视光电成像系统的焦平面器件进行理论计算和实验验证.分析了光阑孔径对回波图像与焦平面器件调制之间相关性及空间截止频率对猫眼回波的影响.结果表明：随着光阑孔径的减小，回波图像信息减少，与焦平面上光斑的相关性降低；随着光阑孔径的增大，光栅干涉形成的次级光斑逐渐出现在回波图像中，回波图像也由于各级光斑的干涉变得复杂，对应的空间频谱变化反映了各级光斑的交叠情况.该研究对利用回波特征用于凝视光电成像侦察设备实施激光主动探测具有实际应用价值.

对大型固体激光装置中的关键器件—大尺寸1064 nm 波段HfO₂/SiO₂窄带滤光片进行了研究，分析了监控波长对信噪比和光源稳定性的影响。通过优化监控参数，设备监控精度可达到镀制窄带滤光片的需求。制备过程中的薄膜光谱分析表明：随着蒸镀过程的进行，氧化铪(HfO₂)的实际厚度会逐渐小于设计值，而二氧化硅(SiO₂)的实际厚度则会逐渐大于设计值；这种变化趋势导致的厚度误差会严重影响带通的波形；另外掩模板造成的厚度误差也是影响带通波纹的重要因素之一。通过分析研究和优化以上因素，制备了半峰全宽为5 nm、通光口径达200 mm×200 mm、在1064 nm 处损伤阈值高于19.5 J/cm²(3 ns)的窄带滤光元件。

基于射线光学和波动光学理论分析了多模光纤的布里渊散射特性, 提出了确定布里渊散射角取值范围的方法；推导了阶跃型和渐变型多模光纤不同模式群布里渊频移、线宽、散射谱和散射功率的表达式.结果表明, 阶跃型和渐变型多模光纤布里渊散射角的最大取值范围为全反射临界角的2倍到π；阶跃型光纤的布里渊频移、线宽、归一化峰值增益和散射功率随模式群的变化比渐变型光纤缓慢, 且随着模式群编号的增加, 阶跃型光纤的上述参量分别在11.084-10.932 GHz、21.760-21.168 MHz、1-0.933和1.990×10-9-1.857×10-9 W范围内呈曲线下降；渐变型光纤的上述参量分别在11.064-10.969 GHz、21.683-21.314 MHz、1-0.957和2.052×10-9-1.965×10-9 W范围内呈直线下降.

基于周期结构的布洛赫原理，从电磁场理论出发，用解析和数值的方法系统地研究了基于表面缺陷的半无限一维光子晶体Tamm态的形成条件，模式特征以及与无缺陷Tamm态之间的关系.对TE波，缺陷Tamm态的频率范围向高低两个方向扩大；而对TM波，缺陷Tamm态的频率范围只向高频扩大, 而低频范围减小.缺陷折射率较大时, 缺陷Tamm态的色散曲线近似直线, 其群速度大小也近似等于光在单层缺陷里的传播速度. 通过调节缺陷层的折射率或者厚度可以方便地把缺陷Tamm态的频率设计到需要的范围.

为了研究正交余弦光栅的衍射场, 采用波前相因子判断法并考虑到光栅孔径的影响, 对正交余弦光栅的衍射进行了理论分析, 得到了正交余弦光栅衍射场所含基元成分, 导出了像面波前函数、像面振幅分布函数和光强分布函数, 并得出主焦斑的半角宽度。结果表明, 该研究可为光栅用于光学信息处理技术提供理论依据。