回顾了光场相干与偏振联合调控的研究进展，重点介绍了具有特殊空间相干结构的二维部分相干矢量光束的表征、合成及在复杂环境中的鲁棒传输特性；结合纳米光子学的发展，将二维部分相干矢量光束推广到了三维部分相干矢量光场，给出了三维部分相干矢量光场的相干与偏振表征，分析了部分相干紧聚焦矢量光场中的三维偏振结构，包括偏振维度、三维非寻常偏振态、自旋角动量结构等。研究表明相干性在赋予了矢量结构光场新颖自由度的同时，导致了二维矢量光束的鲁棒传输特性以及紧聚焦矢量光场新型三维偏振结构。

高空间相干性是激光束的重要属性之一,在很多实际应用中,低相干性激光束即部分相干光束表现出独特的优越性,如关联成像(“鬼”成像)、亚瑞利成像、大气激光通讯、微粒操控、激光探测、微粒散射等。传统的部分相干光束具有高斯关联相干结构,近年来,对部分相干光束相干结构的调控引起了学者的广泛关注,具有非高斯关联相干结构的新型部分相干光束展现出很多奇异的特性,如自整形、自聚焦、自分裂、超强自修复等。调控激光相干结构可以用来有效地抵抗大气湍流引起的扰动、测量涡旋光束的轨道角动量、突破衍射极限以及实现纵向光场整形等。介绍了激光相干性调控研究进展,阐述了一种新颖的光束调控方法。

当高速成像制导导弹在大气中飞行时, 其光学窗口承受着严重的气动加热。超声速气膜冷却方法可以有效地隔离外部加热, 但是超声速气膜流动会引起光束退化, 降低图像质量。为了研究超声速气膜气动光学效应, 本文构建了主流马赫数为3.4, 设计喷流马赫数为2.5, 实际测得喷流马赫数为2.45 的超声速气膜实验装置。利用基于纳米粒子的平面激光散射技术获得了高时空分辨率流场图像, 并对气膜冷却流动的密度场进行重构, 利用光线追迹法获取了对应密度场的光程差。通过将光程差分布和K-H涡对比后发现, 光程差的波谷位置对应于涡卷的中心, 而光程差的波峰对应于涡卷中心之间的连接部分。但是, 随着涡结构的发展破碎, 对应关系不再成立。根据超声速气膜NPLS流场图像结果, 利用分形原理获取的分形维数结果, 将其沿流向划分为三个区域, 其对应平坦度分别为3.4,2.9,3.6,验证了区域2更适合进行相干结构提取。

基于频域小波分析方法研究了大气湍流相干结构特性,采用Mexican Hat小波函数分析了近地面风速脉动数据资料。根据能量极大值原则识别相干结构主尺度,利用重构公式提取相干结构波形。结果表明重构相干波形是具有准周期运动的信号,它反映了原始脉动信号中某个中间尺度上的运动, 两者波形在变化趋势上十分吻合;小波系数的时间与尺度图可以很好地解释湍流的多尺度性和间歇性,反映了湍流相干结构的演变过程。在分析时间段内对风速相干结构的主尺度进行统计分析,发现相干结构的主尺度近似满足正态分布。

通过对风速脉动和温度脉动数据进行谱分析和小波分析,得到不同高度大气湍流相干结构尺度,用来同时识别时间序列中相干 结构的特征尺度,并与大气折射率结构常数C2n相结合分析高空大气湍流强弱分层的相干结构特征,提取不同高度湍流层强度、湍 流层厚度等空间特征。通过研究发现,随着高度的变化,湍流呈现强弱分层交替出现的空间特征,且随高度升高,湍流持续时间变 短,湍流层厚度也变小;在大尺度的弱湍流背景下存在小尺度强湍流,分布相对密集,持续时间较短,厚度也较小。高空大气湍流在5～15 km上 存在明显的强弱分层现象,在6～10 km高度上有四个强湍流层,湍流层厚度约为500 m。

相干结构Blob的间歇爆发清晰地反映在HT-7托卡马克边界探针的离子饱和流信号中，Blob的径向传播在近刮削层堆积出一个温度和密度的平台区，使密度和温度分布偏离了指数分布。条件平均方法提示了间歇脉冲结构空间分布的均匀性，Blob内部等离子体参数远高于背景等离子体参数，并且呈现出涡旋的形态。最后闭合磁面附近的数据显示，Blob的间歇爆发导致了边界约50%的粒子输运和能量输运。实验结果表明:相干结构在剪切层受到了扭曲，在刮削层区域沿离子的逆磁漂移方向传播。

通过本征正交分解研究湍流流场相干结构和所造成的气动光学畸变间的关系.以高速导弹红外窗口绕流流场的计算流体力学结果为源数据,通过奇异值分解实现流场折射率场的本征正交分解.比较折射率场的低阶奇异值和源数据产生的气动光学畸变参数光程差,二者有很好的吻合性.由此提出一种采用折射率场的奇异值直接仿真光程差的简易算法.仿真表明只利用二维折射率场的第一阶奇异值即能描述畸变波前的特性,其光程差的相对误差不超过±2%,验证了湍流中的相干结构造成了大部分的气动光学畸变.