针对大口径光学系统中像差影响超分辨效果的问题,开展泽尼克波前像差对望远超分辨成像系统性能和超分辨局部视场影响的研究。设计四区型位相光瞳滤波器, 在理想光学系统出瞳处分别加入离焦、像散、彗差和球差像差, 逐渐增加幅值, 通过分析不同类别和幅度的波前像差下焦面光强分布变化, 研究超分辨成像性能和局部视场对不同种类像差的容忍程度。结果表明, 离焦可以抑制超分辨旁瓣能量, 提高超分辨倍率, 但对局部视场影响较大; 球差可以抑制超分辨旁瓣能量,增大局部视场; 像散和彗差使光斑圆对称性明显下降, 其中像散对局部视场的影响较为明显; 同时加入适量离焦和球差时, 超分辨旁瓣能量下降, 超分辨倍率提高, 且不影响系统局部视场。据此设计了一个F数为10, 焦距为12 m的大口径光学系统, 通过合理优化球差和离焦剩余量, 实现了超分辨倍率由1.21倍到1.31倍的提升, 最大旁瓣峰值由0.33下降到0.30, 局部视场为38.28 μm。

针对本振光为高斯分布, 接收信号光经望远镜聚焦后为艾里分布的情况, 首先对高斯和艾里函数用数值计算的方式得到两种光斑最大外差效率: 当艾里斑直径和高斯光束束腰直径之比为1.719时, 最大外差效率为81.45%; 然后介绍了光的标量衍射和Zernike像差理论, 分析了夫琅禾费衍射适用于相干聚焦光场的条件, 计算了平面、高斯、艾里光场和Zernike像差的采样要求, 对存在各种像差的光学系统的外差效率进行了仿真, 分析了倾斜、离焦、像散、慧差、球差等基本像差及组合像差对外差效率的影响, 结果表明: 各种像差对外差效率的影响从低到高分别为像散、倾斜、离焦、慧差和球差; 3dB外差效率损失对应相干系统的指标为跟踪误差优于1μrad(RMS), 组合波像差优于0.1λ。研究结果对相干激光通信系统的链路损耗分配和光机系统的工程设计具有指导意义。

提出采用基于变形镜(DM)本征模式的自适应光学波前误差校正方法校正高分辨率空间光学遥感器的在轨波前误差。该方法利用变形镜各致动器的影响函数得到一组符合导数正交关系的变形镜本征模式，以图像功率谱密度在低频区域的积分和为评价函数，根据本征模式系数与评价函数之间的关系直接求解出各阶模式所需的校正量。利用实测的37单元变形镜的影响函数得到变形镜本征模式，基于该模式对泽尼克像差进行了开环和闭环仿真校正，定量分析了相位偏置和图像频率范围对算法精度的影响。针对遥感器主镜镜面热变形误差给出了仿真校正结果，分析了图像噪声和不同遥感图像对算法校正精度的影响。仿真结果表明基于变形镜本征模式的自适应光学校正方法可以有效校正波前误差，算法收敛速度快，对图像噪声和内容不敏感，适合用于空间光学遥感器的波前误差校正。

高功率被动调Q脉冲YAG板条激光器出光过程中的诸多腔内相位扰动因素，均会直接影响到激光输出功率和光束质量。采用哈特曼-夏克(H-S)波前传感原理和模式法波前重构对侧面抽运脉冲板条激光器输出倍频光束特性进行实验测试与分析，得到了波前像差分布及对应的峰谷值(PV)和均方根值(RMS)、波前畸变包含的各阶泽尼克像差系数。进一步计算得到了环围能量曲线和点扩散函数分布等。从而可全面了解输出光束质量和动态波前像差特性。分析表明输出倍频光的波前泽尼克像差主要集中在前10 阶，由于晶体热效应及腔内相位扰动因素影响，光束中较显著的波前像差系数有离焦A3、低阶像散A5、慧差A6和球差A10等。

利用20单元双压电片变形镜和13×13阵列哈特曼波前传感器所构成的闭环自适应光学系统, 实验测试了双压电片变形镜对3～20项静态Zernike像差的空间校正能力, 并将实验结果与仿真计算结果进行了对比。最后分析了哈特曼传感器与双压电片变形镜之间的对准误差对实验结果的影响。研究表明, 除了少数几项外,双压电片变形镜对3～20项Zernike像差的拟合误差都小于0.5, 各项Zernike仿真和实验结果之差平均小于0.1。计算表明, 与严格对准的理想情况相比, 双压电片变形镜对3～20项Zernike像差中大多数项的拟合误差都随着失配程度的增加而增大, 对准精度对于高阶像差拟合效果的影响尤其严重。

利用波前像差的泽尼克(Zernike)模式分解, 分析了光学系统的静态像差和动态像差与系统的光束质量β因子间的关系。建立了静态和动态Zernike像差系数与β间的计算表达式, 并用数值计算方法得到了前65阶静态和动态Zernike像差与β间的近似公式拟合系数。在此基础上建立了符合科尔莫哥诺夫(Kolmogorov)大气湍流引起的动态Zernike像差与β间的对应关系。数值计算结果验证了该分析结论和得到的近似计算公式的正确性。

双压电片变形反射镜作为波前校正器具有结构简单、变形量大、成本低及制造周期短的优点, 能代替传统分立式变形镜从而降低自适应光学系统的成本。为验证工艺的可行性和了解双压电片变形反射镜的性能, 制造了一块20单元的试验样镜。样镜采用了双层压电陶瓷的结构, 其中一层作整体离焦电极以校正大幅值的离焦像差。利用Veeco干涉仪测量了样镜单元电极影响函数, 分析了其对前36项Zernike像差的校正能力。结果表明, 样镜对离焦像差能获得高达8 μm以上的校正量, 对其它高阶像差也能适量校正, 但校正能力随空间频率升高而降低, 显示出其适合校正低阶像差的特性。此外, 讨论了不同有效孔径下样镜对Zernike像差的拟合能力。

腔内像差扰动对激光器输出模式有显著的影响,直接带来输出光束质量和能量的下降。采用数值迭代法分析了正支共焦腔腔内倾斜扰动对耦合输出相位模式的影响,并采用泽尼克像差对波前相位进行了拟合,得到前35阶泽尼克系数、点扩展函数(PSF)和环围能量曲线,从而全面反映光束质量。并采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack,H-S)波前传感器进行了实验定量测定,用模式法进行了波前复原计算。针对腔内低阶像差校正问题进行了原理性实验研究,建立了控制腔内凸镜的像差校正系统。结果表明,控制系统对腔内准静态像差扰动闭环效果较好,输出光束前10阶泽尼克像差、波前畸变的峰值(PV)和均方根(RMS)值均得到明显减小。

测量了准分子激光原位角膜磨镶(LASIK)手术后人眼的单色像差。并根据术后症状,将所有数据分类为视物星芒状组、单眼复视组、视物雾状组和参考组。视物星芒状组和视物雾状组的三阶和四阶泽尼克(Zernike)像差的均方根(RMS)值明显大于无症状的参考组。术后有不良症状各组的人眼的调制传递函数(MTF)明显低于参考组的调制传递函数。在明视觉条件下,四阶像差特别是对称性的泽尼克球差,对调制传递函数的影响大；而在暗视觉条件下,三阶像差特别是非对称性的泽尼克彗差对调制传递函数的影响大。四阶以上的高阶像差对各有症状组的调制传递函数曲线有影响,而这些高阶像差对参考组的调制传递函数已无明显影响。像差的均方根值和调制传递函数曲线是研究术后不良症状的较有效光学手段。

针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的光束质量下降问题，分析了正支共焦腔腔镜倾斜扰动对调腔光模式的影响，采用等效透镜波导法计算了凹、凸腔镜倾斜失调状态下的调腔光模式分布、泽尼克(Zernike)像差系数。同时采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器方法对此进行了实验定量研究，用模式法进行了波前重构。得到了扰动量与泽尼克像差的定量关系。结果表明，凹镜倾斜扰动对腔模的影响大于凸镜，对于大菲涅耳数非稳腔，腔内倾斜扰动量与腔外泽尼克倾斜系数具有良好的线性关系，若对凹、凸腔镜分别施加等量倾斜扰动，带来的腔外泽尼克倾斜系数比率约为光腔放大倍率。且腔模倾斜像差增加的同时还将导致离焦、像散等高阶像差的增大，因此作腔内相位补偿或校正时，应使补偿或校正平面尽可能靠近凹面镜;最后对实际激光束与He-Ne调腔光束的异同作了简要比较。