从理论和实验两方面研究了球面波入射二维光栅的泰伯效应。首先，分析球面波入射光栅后，菲涅耳衍射区光场的复振幅分布；其次，讨论了泰伯像及分数泰伯像的成像条件，得出成像位置及成像周期由光源至光栅的距离、光栅至观察面的距离共同决定，并且球面波入射光栅的泰伯距离等于其周期放大率与平面波入射光栅泰伯距离的乘积。实验结果与理论结果相符合，在特定位置处可观察到清晰的泰伯像及分数泰伯像。改变光源平面与光栅的距离，泰伯像按特定规律发生变化。由于光栅周期小于两倍孔径边长、球面波自身发散特性，分数泰伯像中出现像元交叠现象，按交叠程度可将交叠图像分为两种分数泰伯像，即点状离散分布及棋盘分布。本文研究可促进泰伯效应在光学测量及阵列照明等方面的应用。

针对现有椭圆球面波函数(PSWF)脉冲组方案中正交化处理和自身构造限制造成系统复杂度高、调制信号峰均功率比高的不足, 结合PSWF信号奇偶特性, 提出了一种基于PSWF奇偶特性的子频段分组脉冲组设计方法, 通过将通信频段划分为若干个带宽相同且相邻的子频段, 在子频段内划分频谱交叠的子波带构建脉冲组, 利用子波带中具有不同奇偶特性的PSWF信号之间天然的正交性, 完全避免了正交化处理。理论和数值分析表明, 与正交化处理PSWF脉冲组方案相比, 所提方案能有效降低系统复杂度; 并且当CCDF为10-4时, 能使调制信号峰均功率比降低约1.49 dB。

传统的小孔球面波数字同轴全息受小孔的不确定度影响, 成像质量并不理想。本文提出一种产生均匀球面波得到宽视场高分辨的显微成像方法。激光经过扩束镜、显微物镜后聚焦成一个极小的光斑, 调节针孔阵列与焦点的距离, 针孔直径与焦斑相配形成理想球面波。照明被测物后, 透射球面波和物体散射的物光波形成干涉条纹, 由大靶面图像传感器采集。载物与不载物的图像相减去掉脏点和杂光干扰。菲涅耳逆变换重构算法恢复物体信息。生物实验证明, 均匀球面波数字同轴全息能够获得高质量显微成像, 视场范围3.22 mm×3.22 mm, 分辨率5.09 μm, 其快速、非接触、灵活的放大倍率可广泛应用于光学元件检测、材料识别、生物医学领域。

为了获得具有高增益特性的天线, 对传统透镜天线工作原理进行了分析。因为透镜天线板间电场模式与波导中电场模式类似, 以此为依据通过改变金属透镜的金属平板间距和板脊高度, 设计了一种新型金属透镜天线, 迥异于传统金属透镜天线的凹形曲面结构。该天线金属透镜由多片长方形侧面加脊金属板组成, 能够很好地调节口径面的相位分布, 以此实现口径面同相分布, 从而获得高增益性能。

高强辐射场防护逐渐受到重视，并成为飞机设计和机载设备装机的必要条件。将自主研发的大规模并行三维时域全波电磁模拟软件JEMS-FDTD应用于飞机高强辐射场(HIRF)仿真。数值模拟中为保证计算精度，采用了非均匀网格及共形网格技术。根据实验条件，平面波近似与实验条件差异较大，需考虑天线近场效应，故构建了球面波等效源。给出了平面波近似及球面波近似下的仿真结果与实验结果的对比，结果显示，球面波近似与实验结果更加吻合。在完成数值模拟的基础上，采用PFC方法对仿真结果与实验结果的吻合度进行了评估，评估等级与欧盟HIRF-SE项目定级相当。

为分析口径天线辐射场方向性, 在计算等效面磁流的同时, 引入等效面电流的作用, 对辐射远场方向性进行了修正, 解析公式更适合描述自由空间中口径天线的辐射场; 在时间域对冲激脉冲口径辐射场方向性进行分析, 得到以下结论: 馈入脉冲宽度变宽、口径尺寸减小、口径场幅度锥削分布, 以及球面波前均会降低辐射场方向性; 辐射场存在时域波形延拓现象, 即存在空间色散问题; 球面波使口径辐射场方向性迅速恶化, 在远区得到一个主轴附近峰值场强相对平坦, 而在一定角度峰值场强迅速下降的场。

针对应用于50~150 nm波段的变栅距光栅, 采用球面波曝光系统进行优化设计, 分析了不同宽度光栅的刻槽密度变化和光谱分辨能力。理论分析结果表明, 光栅宽度为4 mm时, 理论分辨能力高于14 000; 光栅宽度为10 mm时, 理论分辨能力约为9 000; 光栅宽度为30 mm时, 理论分辨能力急剧下降, 约为3 000。光栅的宽度越大, 其刻槽弯曲程度就越大, 光栅的光谱分辨能力就越低, 因此球面波曝光系统只适合制作宽度较小的变栅距光栅。

基于较简单的物理模型和矩阵光学方法, 推导了激光发射光学系统发射平面波、球面波和高斯光束的调焦公式, 并计算分析三种波的聚焦特性: 平面波调焦时, 随着调焦量绝对值减小, 聚焦距离增大, 当调焦量靠近零时, 聚焦距离增加的速度较快; 球面波调焦时, 存在聚焦距离为无穷大的准直发射状态, 若调焦量逾越该状态对应的值后, 则发射光束成为发散光束, 同时, 随着入射球面波的曲率中心距次镜的距离增大时, 准直发射状态对应的调焦量右移趋近于零; 高斯光束调焦时, 在相同调焦量下, 高斯光束的束腰位置与平面波焦点位置在远距离上存在明显的差距, 可以通过增加入射高斯光束的束腰宽度、增加激光发射光学系统的扩束比、选用波长更短的光束来减小这种差距。

采用光纤点光源的光学干涉实验与检测系统，需要的光学元件最少，具有最好的环境与机械稳定性，并以最简单的方法获得高精度的基准球面波，可最大限度地减少非平面检测的系统误差。为此，全面分析了影响光纤点光源品质的诸多因素，应用光纤光波传输的基本理论，提出了提高光纤点光源性能的简易方法，并采用数字全息的方法，对两个光纤点光源产生的球面波的干涉图进行计算分析，实现了对光纤点光源球面波的评价。结果表明，由光纤点光源所产生的球面波可以满足一般干涉检测对基准球面波精度的要求。

为了分析窄带电磁脉冲源近、远场辐照大型建筑物内部空间电磁场分布特点，采用时域有限差分方法，对比分析平面波、球面波场源正面斜入射多层多单元建筑物的计算结果，并较为全面地分析了各房间各水平面中心电场强度幅值、各层各水平面电场强度最大值分布情况。建筑物各层相对应高度面上场强分布近似，在电磁波传播方向上窗户房间内部区域场强较强，两种波场源入射结果基本一致; 在其余区域场强较弱，特别是在较大空间内的区域，球面波场源入射下场强相对更弱。其中通过与待模拟建筑物外形相紧凑性匹配的球面波场源构建，模拟仿真了窄带球面电磁波在真空空间的辐射传播，计算结果验证所构建球面波近场源准确可行。