线聚焦滤波技术能够大幅缓解甚至解决目前聚变装置中的等离子体堵孔效应及激光装置规模庞大等问题,在聚变激光装置中具有较广阔的应用前景。采用像差的衍射理论,分析了各类像差对三镜型线聚焦滤波器效能的影响。给定滤波系统中评判像差影响时采用的两个重要参量(输出光束的近场对比度及滤波狭缝的内边缘强度)及其容许范围;在滤波器中引入不同类型和大小的像差,根据参量的变化获得各类像差的容许值,并与传统的针孔滤波器进行对比。结果表明:透镜上存在的各类像差都会导致波面上产生各种非均匀的相位变化,并降低光束质量,而像差导致的弥散或形变也会使滤波狭缝内边缘的辐照强度发生变化,即随像差增大而不断降低。对三镜型线聚焦滤波器效能影响最大的像差来自于第一块柱面镜上的球差和场曲。

针对当前聚光光伏系统中自动跟踪系统故障率高及跟踪成本大等问题, 提出了一种由线聚焦菲涅耳透镜、反射式二次聚光器和全反射棱锥组成的组合式免跟踪聚光光学系统, 论述了各组成元件的工作原理与设计方法。在光学设计软件Zemax里对该系统进行结构优化与仿真分析, 结果表明, 在俯仰角最大为16°时, 该系统的平均聚光效率为24.1%, 与FRS系统相比提高了18.7%。集成了基于组合式免跟踪聚光光学系统的免跟踪聚光光伏模组, 初步测试结果表明, 该模组在非跟踪状态下光电转换效率最高达到19.6%, 4 h后光电转换效率仍能达到5.9%。

结合美国国家点火装置(NIF)的部分参数, 利用两镜型线聚焦空间滤波器(SSF)来替代主放大腔中的针孔滤波器, 对其在高功率激光装置中的应用进行了初步的研究。以NIF为例, SSF的应用可使远场强度降低两个数量级, 使腔空间滤波器和放大腔分别缩短约6.2450 m(27%)和13.8707 m(30%), 而放大腔中远场强度的降低以及去掉传输空间滤波器中的滤波光阑, 又使得主光路中基本无等离子体堵孔的问题。同时, 基于平面化离轴偏角的设计思想并结合放大腔中变形镜与反射镜互成物像面的特点, 对SSF构成的放大腔进行了离轴多程设计以避免放大自发辐射, 为SSF的实际应用以及高功率激光装置的进一步发展奠定了基础。

针对美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室所提出的四柱透镜结构的线聚焦型空间滤波器(线型滤波器)，根据瑞利-索末菲衍射积分和利用Matlab 软件对光束在线型滤波器中的传输进行了理论模拟研究，得到了线型滤波器的像传递模式并对其空间滤波功能进行了对比研究。与传统的针孔滤波器不同，线型滤波器的系统前后焦面并不只与透镜焦距有关，还与柱面镜在x 和y 方向错开的距离相关，其优点是能将高功率激光装置中的远场强度降低约3个数量级，从而大大减小滤波器规模，但同时也带来一个不足之处，即线型滤波器只能在1 倍口径匹配条件下满足严格的像传递功能。在1倍口径匹配条件下，线型滤波器的空间滤波功能与传统针孔滤波器也是一致的。

利用干涉理论对无衍射贝塞尔光束经轴棱锥线聚焦后产生的周期局域空心光束进行描述。计算了产生的局域空心光束的最大无衍射距离。采用几何光学理论和干涉理论对轴棱锥聚焦无衍射光束进行分析，并利用MathCAD软件对沿传输距离变化的光强分布和一个周期内光强的演变情况及对应的光斑图进行数值模拟。实验中采用一个底角为1°的轴棱锥来产生无衍射贝塞尔光束，再经第二个底角为2°的轴棱锥对无衍射贝塞尔光束进行聚焦，通过显微镜和CCD照相机系统对光束进行观察和拍摄，实验和模拟结果相吻合。

针对紫外光固化技术领域中365 nm紫外LED光源进行了应用研究，提出了用菲涅耳透镜替代传统的柱透镜实现光源线聚焦的技术方案，给出了设计过程与仿真结果。从已有的平板菲涅耳透镜的结构设计公式出发，推导了在透镜通光孔径、焦距范围已知的情况下，平板基底厚度、焦距等参数的确定依据，设计出了相应的点聚焦和线聚焦菲涅耳透镜，组成紫外光固化LED线光源的光学系统。运用Tracepro软件建立了菲涅耳透镜系统模型和柱透镜系统模型，通过光线追迹分析了能量利用率、辐照度均匀性等重要指标。仿真结果表明：采用菲涅耳透镜的光学系统可以实现应用目标面上的光学技术指标，提高了能量利用率及辐照度均匀性。

为提高光学相干层析术(OCT)系统成像速度,借助成像光谱仪,以钨灯为非相干光源,采用柱面镜聚焦,搭建了迈克耳孙干涉仪结构的无扫描装置谱域OCT系统。介绍了系统结构和工作原理,对待测样品进行了层析成像实验,分析了系统的成像特性,利用中值滤波的方法消除背景噪声,获得了样品的二维层析图像,与点扫描光纤型OCT的成像速度进行了比较。研究表明,无扫描装置谱域OCT系统在8 mm宽度范围成像时,其数据采集速度比传统点扫描方式约快2个数量级。

针对传统点扫描OCT 系统的成像速度对OCT 在实际研究和应用中的影响,本文提出并搭建了一种高速无扫描频域OCT 系统,对该系统的成像分辨率、探测深度与各种噪声进行分析,并提出一种新的消除背景噪声的方法。该系统根据频域OCT 和成像光谱仪的基本原理和工作特性,采用一种新的干涉光路以线聚焦方式对样品进行高速数据采集。实验结果表明,这种系统无需任何扫描装置就可得到二维层析图像,在对载玻片8 mm 宽度范围成像时,其速度比传统点扫描方式快两个数量级;利用文中提出的数据处理方法成功将背景噪声消除。

针对传统单片柱透镜和柱面反射镜成像光束不理想以及视场通常小于1°,提出并设计了一种三反射式柱面结构。对柱面光线追迹及单片柱面镜成像进行了深入分析,分别设计了三反射式圆柱面和二次曲线柱面系统,提出了一种基于抛物柱面镜理想线聚焦的新型像差优化方法,使其在子午面方向各视场调制传递函数得到最佳优化,并达到成像光谱仪等在狭缝方向上高空间分辨率要求。其子午面总视场均达到了3°,在45 lp/mm分辨率条件下,边缘视场子午面方向的调制传递函数分别优于0.2和0.6。

提出了一种高速光学相干层析(OCT)成像技术方案.利用柱面镜的成像特性将传统OCT的点聚焦成像模式改变为线聚焦成像模式,从而降低二维OCT图像的扫描维数,达到提高成像速度的目的.利用ZEMAX光学软件对系统进行光线追迹获得光束经过柱面镜后的聚焦情况.随后采用635nm的激光光源和柱面镜构建了实验系统,实验结果很好地验证了光线追迹仿真结果.