报道了采用自行研制的全光纤主振荡功率放大(MOPA)结构1064 nm单频Yb光纤激光器抽运掺氧化镁的周期性极化铌酸锂(PPMgLN)晶体实现3.81 μm输出的中红外连续波(cw)单谐振光学参变振荡器(OPO)。单谐振OPO通过e→e+e相位匹配，基于50 mm长，28.5~31.5 μm多周期的PPMgLN晶体(MgO掺杂摩尔分数为5%)，选用其中29.5 μm的周期，采用了两镜线性腔结构。在30 ℃的工作温度下，通过49 W的线偏振激光抽运，获得了最大功率4.25 W，波长为3.81 μm的闲频光输出，抽运阈值为5 W，其对应量子转换效率为31.1%。实验还通过改变PPMgLN晶体的工作温度21~170 ℃，获得了中红外波长3. 65~3.82 μm激光输出，测量了相应OPO的输出光谱。通过对比实验所测得中红外光输出波长与两组不同的理论计算结果，发现当晶体工作温度大于110 ℃后，实验测量结果与理论计算结果有一定的偏差，这和实验中晶体在高温区控温精度有一定的关系。

利用堆积法制作出Nd掺杂的磷酸盐玻璃双芯光纤(TCF)。结合管棒法，设计一种能够任意调节芯径与芯间距比例的制备方法。激光实验采用808 nm激光二极管(LD)作为抽运源，以长为6 cm，外径为620 μm的TCF作为增益介质，宽带高反双色镜和TCF另一端的菲涅耳反射形成的F-P腔作为激光谐振腔。抽运功率大于阈值时，CCD观察到清晰的远场干涉条纹，表明得到自锁相激光输出。激光最大输出功率达到52 mW，对应斜率效率为27.1%，并研究了不同抽运功率时，TCF激光的光谱性能。

基于外光反馈机制，利用He-Ne激光器(中心波长为632.8 nm)进行了混沌激光产生的理论及实验研究。在固定抽运电流和外腔长度的情况下，研究不同反馈系数对He-Ne激光器输出特性的影响。理论及实验结果表明：He-Ne激光器在单反馈下随着反馈系数的增大可通过周期态进入混沌。

报道了两路纳秒脉冲光纤激光的相干合成(CBC)实验。利用主振荡功率放大(MOPA)结构搭建两路全保偏光纤激光放大器，利用随机并行梯度下降(SPGD)算法对两路放大器进行相干合成，获得了重复频率10 MHz、脉冲宽度10 ns、平均功率50 mW的脉冲激光输出。系统闭环时目标圆孔内能量提高了1.76倍，远场光斑条纹对比度提高了4.38倍。

将稳态场的相干偏振统一理论应用于脉冲光束的研究。构建了部分相干方形平顶电磁脉冲光束，并推导出该光束经相位调制透镜后聚焦的交叉谱密度函数表达式。详细探讨了相位调制尺寸、调制深度、调制中心位置以及光束相关长度等对聚焦场光谱强度的影响。研究结果表明，局域相位调制会导致在聚焦场中产生另一光谱强度峰值，光束的相关参数和相位调制参数决定该光谱强度峰值大小，并在一定情况下使之发生移动。特别是当光源相关参数和相位调制参数处于某临界值时，会发生光谱强度峰值开关现象。同时发现，空间相关长度导致光束发生空间焦移，而脉冲时间相关长度导致光谱强度峰值在频率上的移动。

基于端抽运板条增益模块的主振荡器功率放大(MOPA)是高平均功率激光二极管抽运激光器(DPL)发展的有效途径之一，近年来受到广泛关注。通过理论分析和数值模拟，建立了板条增益模块的设计模型，分析了板条增益模块的小信号增益系数、输出特性、温度和热应力等关键参数。研制的模块尺寸为50 cm(长)×30 cm(宽)×20 cm(等)，静态波前畸变为0.22 μm(不包括倾斜)，实验研究获得了均匀性约94%的荧光分布，在占空比为60%条件下，输出平均功率1086.3 W，斜率效率41.7%。

高功率固体激光装置主放大器是能量提取最多的一个环节，它受环境影响因素较多，难以建立考虑各因素影响的微观模型。目前，国内外还没有主放大器增益的精确预测模型和实验数据分析报道，现有预测模型较为粗糙。从统计角度对高功率激光装置主放大器增益的变换规律进行了分析，指出宏观上3种不同特点的增益变化，分别为增益的低频演化规律、增益随日运行发次的变化规律及增益的高频稳定性特性；并由此建立了包含权重因子的主放输出预测模型。通过神光Ⅲ原型装置的运行数据对建立的模型进行了考核，结果显示，与以往的单一发次的递推模型相比，新模型对增益预测的准确性可提高1倍。研究结果对大型固体激光装置的高效运行具有指导意义。

高质量赝热光源的制备是强度关联成像技术中一个非常重要的内容。采用赝热光作为光源是因为一般的热光源相干时间极短，常用的探测器无法响应，且亮度低。利用激光照射旋转的毛玻璃形成的动态散斑作为赝热光源可以解决上述问题，是目前常用的一种方法。提出一种采用液晶光阀(LC-SLM)对激光束进行控制来获得赝热光场的方法。利用该装置产生的赝热光场不仅可以极大程度地模拟真实热光场的热涨落，且光场涨落服从真实热光场所具有的高斯统计分布，更重要的是该系统没有机械转动，光场的时间和空间相干性可以完全分开对待，产生的散斑场结果可以重复，并研究了应用该方法产生的动态散斑场的各种特性。

安全性是混沌通信中的重要问题。基于一个外光反馈半导体激光器驱动两个互耦合激光器的混沌通信系统，研究激光混沌系统中反馈时延与耦合时延特征, 并应用龙格库塔法进行动态仿真。重点分析了当调节一些可控参数(耦合时延和驱动强度)时，能够改变两耦合激光器输出自相关函数中反馈时延和耦合时延幅值的差异，以此掩藏反馈时延，从而得出更优载波。仿真结果说明利用耦合时延可以增强激光混沌系统的安全性。最后给出了在优化载波后系统同步质量的讨论。

为了提高GaSb基半导体激光器的功率效率和可靠性，研究了GaSb基半导体激光器欧姆接触形成机理并提出了一种新型四层金属欧姆接触结构(Ni/AuGe/Mo/Au)。进行了Au/Mo/AuGe/Ni/n-GaSb在150 ℃~450 ℃退火温度下欧姆接触的实验研究，结果表明,新结构能够在250 ℃~450 ℃退火温度和10 min退火时间下形成良好的欧姆接触并具有较低的接触电阻率，有效地提高了GaSb基半导体激光器的功率效率。俄歇射线能谱分析表明，新型金属化结构中各原子之间的互扩散减少，结构表面形貌光滑、平整，有助于半导体激光器后续封装的进行，有效地提高了GaSb基半导体激光器的可靠性。

采用高能量激光束对AISI 8620合金钢表面进行冲击强化，利用CETR UMT-2摩擦磨损试验机对激光冲击试样表面进行磨损试验，并用扫描电子显微镜观察磨痕表面的形貌，研究激光冲击强化技术对AISI 8620合金钢耐磨损性能的影响。结果表明，激光冲击在AISI 8620合金钢表层形成残余压应力层，虽然残余压应力会降低氧化磨损和粘着磨损的抗性，但是会增加疲劳磨损的抗性，使AISI 8620合金钢试样的耐磨性提高1倍，多次冲击耐磨性能会更好。随着载荷的增加，激光冲击的AISI 8620合金钢试样的平均摩擦系数呈现先缓慢减小后缓慢增加的趋势。

通过激光熔化沉积工艺制备出Ti60合金和质量分数为5%的TiCp/Ti60复合材料，分析比较了两种材料的微观组织及高温(600 ℃)拉伸持久性能。结果表明，所沉积TiCp/Ti60复合材料中初生TiC呈树枝晶分布于原始β晶界，共晶TiC呈颗粒状分布于α -Ti板条间，TiC的存在导致基体组织细化。TiCp/Ti60复合材料较基体合金具有更加优异的高温(600 ℃)拉伸持久寿命，其高温拉伸持久断裂过程为：增强体与基体界面脱粘、α -Ti/β -Ti的界面处微孔形核、长大、横向扩展及连接，最终导致复合材料的失效。

用Nd:YAG脉冲激光器对0.5 mm厚TC4钛合金薄板进行了焊接实验。设计了与光路同轴的机器视觉系统，并利用高速电荷耦合器件(CCD)实时获取焊斑图像。通过采用辅助照明光源有效提高了焊斑成像质量。采用基于细胞神经网络的算法进行焊斑边缘提取。通过对焊斑图像的分析可以获得薄板穿孔或熔深不足的信息，以此作为反馈控制信号对脉冲激光功率进行实时调整。实验证明，该方法可有效减少薄板穿孔和熔深不足缺陷的发生，提高TC4钛合金薄板激光焊接的质量。

对激光辐照复合材料层合板的应力应变进行模拟分析，获得了应力应变场分布及其变化规律。数值模拟首先获得试件各点随激光辐照时间变化的温度场，然后将温度场导入并分析了试件的热应力和热应变。结果显示：沿纤维方向应力由中心的最大拉应力过渡到距光斑边缘约5 mm处的最大压应力后逐渐减小；垂直纤维方向应力在光斑内及其附近均是压应力；Mises应力在光斑中心处最大并随各位置到中心距离的增大而减小。热冲击使各点应力在辐照初期产生波动，光强越大，波动的时间点越早。为了验证数值分析模型，在激光辐照的复合材料层合板正面光斑周围粘贴应变片，用动态应变仪测试多点的应变并与数值结果进行对比，数值模拟应变与实测应变吻合较好，最大相对误差为18.4%。

采用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法，研究了脉冲激光烧蚀沉积纳米硅(Si)晶薄膜过程中，靶衬间距对传输中溅射粒子密度和速度分布的影响。研究结果表明，在相同时刻，烧蚀粒子和环境气体的交叠区离开靶面的距离随靶衬间距的增加而增大，并且到达离开表面最大距离的时间随靶衬间距的增大而明显增长。速度分布曲线的峰位和峰值强度均出现了周期性变化的趋势，并且均随着靶衬间距的增大而增长。

为了研究不同功率密度对激光冲击诱导的残余主应力及其方向的影响，采用5种不同功率密度对2024铝合金进行冲击，用X射线应力分析仪测量3个方向的残余应力，计算出残余主应力及其方向。结果表明，激光功率密度对冲击区域的残余主应力幅值、主应力方向角的分散程度、应力强度及最大切应力有影响；对于2024铝合金，功率密度为2.8 GW/cm2时，残余最大主应力的方差为1987，主应力方向角的方差为13905，残余应力分布均匀，主应力方向角分散，但残余最大主应力的均值为-158 MPa；功率密度为2.1 GW/cm2时，残余最大主应力的均值为-239 MPa，冲击区域的残余应力值最大，但残余最大主应力的方差为5471，残余应力分布均匀性差。

采用激光快速成形方法制备了TA15(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)钛合金厚壁件，研究了不同退火温度对激光快速成形TA15钛合金组织和室温拉伸力学性能的影响。结果表明，随着退火温度的升高，粗大β晶内的初生α相板条体积分数减少，而β转变组织体积分数增加，且β转变组织形貌由板条状(β)→层片状(α+β)→细层片状(α+β)转变。力学测试结果表明，经940 ℃/1 h，空冷热处理后，激光快速成形TA15钛合金室温拉伸力学性能达到最优；而当退火温度大于等于970 ℃时，其室温拉伸力学性能大幅度降低，拉伸断口扫描电镜(SEM)照片表明，室温拉伸断裂为脆性断裂。

研究了光纤激光入射角变化对车用高强钢(B340/590DP)对接焊焊接性能的影响\.采用前期试验得出的激光垂直入射状态下的最优焊接参数，在该最优参数条件下，利用4 kW光纤激光器进行了1.6 mm厚的双相B340/590DP不同入射角条件下的对接焊试验。分析入射角变化对焊接件外观形貌、焊缝截面、力学性能和微观组织的影响。试验结果表明：激光入射角小于40°时焊缝外观形貌良好，组织细密均匀，能承受较大的拉剪载荷且拉剪试验均断裂在母材区；入射角大于40°时，焊缝背面形成单边焊。

高体积分数SiCp/2024Al基复合材料由于大量增强相颗粒的存在，在熔化焊接过程中Al基体极易与SiC颗粒反应，生成Al4C3金属间化合物，严重降低焊缝的力学性能。以Ti-6Al-4V金属薄片作为中间层填充材料，采用氩气作为保护气体，对SiC体积分数为45%的SiCp/Al基复合材料进行激光焊接，分析SiCp/Al基复合材料的焊接特性。结果表明，填充钛合金材料进行CO2激光焊接时接头组织致密，结合较好，在焊缝组织中获得了以Ti3Al为基体、Ti5Si3和TiC等反应产物为增强相的焊缝组织，所获得的最高抗拉强度为母材的50%左右。

利用光纤激光对激光熔化沉积TC17钛合金与锻造TC17钛合金薄板进行了激光热导熔化焊接，利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪和显微硬度计分析了接头的组织结构及显微硬度分布。结果表明，TC17钛合金激光熔化沉积件及锻件薄壁板状试样激光焊接接头凝固组织为沿未熔母材外延定向生长的细小树枝晶组织。锻造钛合金焊缝热影响区(HAZ)大且热影响区β晶粒发生了严重的长大现象，而激光熔化沉积钛合金焊缝热影响区小且热影响区β晶粒尺寸几乎无明显变化，表现出优异的焊接热稳定性。无论锻造钛合金还是激光熔化沉积钛合金，其焊缝区显微硬度高于母材，热影响区显微硬度低于母材。

信号衰减问题在许多领域都备受关注，在光声成像系统中各种原因引起的信号衰减同样在很大程度上影响了系统的成像质量以及成像深度。从组织光学、声传输与接收等方面讨论了长焦区光声成像系统中引起信号衰减的因素及其特点，并在此基础上提出相应的补偿策略。补偿策略考虑到光声形成与传输过程中的光衰减与声衰减两方面因素对光声信号的影响，实现了从光与声两方面对检测信号综合补偿。信号补偿实验分别从模拟样品补偿成像与离体甲状腺成像展开。实验结果表明，补偿策略能够较好地对光声信号进行补偿，从而提高了系统的成像深度及成像质量。

作为新型医学成像技术，数字合成X线体层成像(DTS)技术有助于分辨重叠的成像组织并精确定位组织病变。DTS技术采用重建速度快、图像质量高的滤波反投影算法重建出冠断面的断层图像。但由于DTS投影数据集的不完整性，因此利用滤波反投影算法重建出的图像其强度在旋转轴方向上存在着类似帽状衰减现象。分析了X线源锥束角度对DTS图像中轴向强度衰减的影响，在此基础上引入了一种反余弦加权的强度衰减的校正方法。为验证校正方法对降低DTS图像中轴向强度衰减的效果，利用搭建的DTS系统在不同的X线源锥角下对乳房仿体进行了实验。结果表明，该校正方法能有效地降低DTS重建图像中的轴向强度衰减程度。

在白光保偏光纤(PMF)偏振耦合系统中，光纤双折射色散会引起干涉条纹包络随着光纤长度展宽，从而导致空间分辨率降低，光纤测量范围变小。为了减小双折射色散的影响，提出一种基于频域变换的色散相位补偿方法，通过干涉主极大包络与耦合点包络的宽度比求得相位补偿因子，并与非线性色散相位谱相乘，通过傅里叶逆变换得到色散补偿信号。实验分别对400 m和1000 m PMF进行了测试，得到光纤双折射色散系数为0.0116×10-9 ps/(nm·km)，将测试系统对PMF 1000 m处耦合点的空间分辨率由62.85 cm提高到6.03 cm，实现了对长距离PMF偏振耦合系统的动态色散补偿。

利用光纤布拉格光栅(FBG)和马赫曾德尔电光调制器实现了单边带光调制输出。基于微波扫描的单边带调制技术提出了一种测量光纤受激布里渊散射(SBS)特性的方法，可有效地将布里渊频移与布里渊增益谱的测量统一起来。对一段50 m长的光子晶体光纤(PCF)的SBS特性进行了测量，得到了PCF的SBS谱的布里渊频移为9.7443 GHz，布里渊增益谱线宽为22.472 MHz，布里渊增益系数为7.874×10-12 m/W。

实验制备了Er3+掺杂质量分数为1%的Ga5Ge20Sb10S65硫系玻璃，测试了其折射率、吸收光谱和荧光光谱，利用Judd-Ofelt和Futchbauer-Ladenburg理论计算了Er3+离子的自发辐射几率、吸收截面和受激发射截面等光谱参数。在综合考虑Er3+离子的交叉弛豫、能量上转换和激发态吸收效应的基础上，应用四能级粒子数速率光功率传输方程模型，模拟计算了Er3+掺杂Ga5Ge20Sb10S65硫系玻璃光纤的中红外2.74 μm波段的增益特性。结果显示，Er3+掺杂硫系玻璃光纤在2.74 μm中红外波段具有较高的信号增益和较宽的增益谱，最大增益值和20 dB增益带宽分别超过了40 dB和200 nm，表明其是可用于中红外2.74 μm波段宽带放大的理想增益介质。

为了降低湍流对大气无线光通信的影响，提高无线光通信系统性能，提出了一种4发射天线、4接收天线的无线光多发射多接收系统模型，针对该模型设计了一种正交空时分组码(OSTBC)编译方法，并对该码的平均误比特性能进行了仿真分析。结果表明，该方案具有很大的分集优势，可获得的最大分集度为16，达到了4发4收系统所能获得的最大空间分集增益，同时该编码方法与传统的Alamouti方案一样能实现最大传输速率。通过对译码算法进行简单修改，OSTBC编译方法也可以应用在接收天线数目为1，2或3个的多光束发射和接收系统中。

新一代气象卫星对红外带通滤光片的光谱控制提出了很高的要求：滤光片在工作温度(92 K)下的光谱曲线被严格限定在一个由内、外框组成的区域之内。分别采用Ge和SiO作为高低折射率膜层材料，设计了含有4个谐振腔的带通膜系来提升通带边缘的陡度；对带通膜系中反射膜层的光学厚度进行了优化调整，压缩了通带内的波纹；根据膜层材料的折射率温度变化特性，设计出了低温条件下符合光谱要求的带通滤光片。采用真空蒸发和光学极值监控的方法，研制出了92 K低温下符合内、外框限制要求的带通滤光片，其通带内的峰值透射率达到93.2%，平均透射率达到91%，波纹幅度控制在5.2%以内。

采用反应磁控溅射法制备二氧化钒(VO2)薄膜，并对其进行快速热处理(RTP)。主要研究500 ℃快速热处理10、15、20 s工艺条件下VO2薄膜结晶状况和光电性能的变化。在20 ℃~80 ℃温区内，应用四探针薄膜电阻测试方法和太赫兹时域频谱技术(THz-TDS)测量了各样品的电学相变特性和光学相变特性。结果表明，经过快速热处理的样品电学相变幅度均达到了2个数量级以上；THz波的透射率在半导体金属相变前后的最大变化达到了57.9%。同时发现，热处理500 ℃，10 s时VO2的电学和光学相变幅度相对要大，当热处理时间达到15 s左右时薄膜的相变幅度变化不再明显。快速热处理时间的长短对热致相变温度点的影响较小，但热致电学相变和光学相变的相变温度点不同：光学相变的温度为60 ℃左右，电学相变温度则在56 ℃附近。

红外硫系玻璃透射率高，光谱范围宽，可广泛应用于红外热像仪等光学系统，然而红外玻璃在熔制过程中容易因组分不均匀造成各种内部缺陷，影响成像质量。利用透视成像的原理，在分辨力估算的基础上，设计了一种可检测玻璃内部宏观缺陷的系统。这种系统光源功率可调，可以检测厚度和直径都在几毫米到几十毫米范围内的红外硫系玻璃，在300 mm成像距离条件下分辨尺寸达到0.19 mm，并且可对长度63.4 mm的物体成满像。通过Sobel算子进行玻璃内部条纹边缘提取，可以获得更加清晰的条纹特征。

提出一种基于平面标靶的线结构光三维传感器扫描方向的标定方法。利用平面标靶对摄像头进行标定，得到摄像头的内部参数，将棋盘格平面标靶固定在空间某一位置，测量系统沿着扫描方向移动并采集一系列图像。根据这一系列图像求出摄像机的外部参数，并结合已经求出的摄像机内部参数计算出标靶上同一特征点在摄像机坐标系下的坐标值，对这些点进行直线拟合得到一直线方程，直线的方向就是测量系统的扫描方向。实验表明，该方法测量精度高，操作简单，无需辅助的调整设备，降低了标定设备的成本和系统校准的难度，适合现场标定。

在高功率激光系统中，大口径元件的中频波前影响系统的安全运行，中频波前均方根(PSD1)是用来评价中频波前质量的关键参数。由于大口径干涉仪在系统传递函数(STF)上不能完全满足中频波前的检测要求，提出采用小口径高分辨率干涉仪检测的统计分析方法，建立了统计理论模型，分析了测量不确定度。建立了子区域PSD1检测装置，提出了子区域倾斜补偿法，提高了检测精度。理论及实验结果表明针对400 mm×400 mm分析区域，子区域数量设置为4×4，置信水平为95.4%时，测量不确定度为±0.266 nm。该方法与大口径干涉仪检测法的对比实验表明，400 mm×400 mm分析区域内检测结果偏差小于5%。子区域统计分析法是对大口径干涉仪检测法的有益补充，对先进光学制造工艺的优化具有重要的参考价值。

基于刚体面内微小转动测量在实验力学测量中的必要性和重要性，开展了利用数字图像相关方法(DICM)定量测量转动角度和准确定位转动中心的研究。从理论上分析了刚体面内转动角度与面内位移分量之间的关系，运用计算机仿真散斑图进行数值模拟研究，得到的转动角度和转动中心位置测量误差都在2%以内，模拟结果验证了数字图像相关法进行刚体面内微小转动定量测量的可行性。运用数字图像相关法对刚体面内未知微小转动进行了实测，并与几何光学实验方法所得到的结果进行了比较，两者结果误差为3.1%，符合较好。实验结果表明数字图像相关方法可以作为定量测量刚体面内微小转动的有效方法。

广角成像系统在近距离倾斜摄像获取大场景平面信息时，图像会存在透视变形与径向失真综合的非线性几何失真。利用网格模板成像，结合透视投影下的共线点列的交比不变性原理，通过非线性优化获得径向失真模型参数，实现径向失真的校正；通过透视变换方法构建变换矩阵求得变换系数，进而实现线性梯形失真的校正。对广角镜头焦距为14 mm，相机倾斜角为43.34°，边长1200 mm正方形模板成像的几何失真进行了校正实验，经对不同位置分布点的精度分析，得到各位置点的相对误差均小于1%。表明校正算法适用于非线性几何失真的处理，且具有较高的校正精度。

采用模拟退火算法设计了0.2~2.0 THz和0.2~3.0 THz两个波段下的消色差复合太赫兹λ/4波片，在0.2~2.0 THz波段内实现了波片相位延迟偏差小于2%，在0.2~3.0 THz波段内波片相位延迟偏差小于4%。系统分析了不同石英玻片个数对消色差复合太赫兹波片的消色差性能以及厚度和损耗等关键参量的影响。分析表明，随着石英玻片个数的增加，波片的消色差性能也会变好，在相应太赫兹波段相位延迟失谐量也随之减小；但同时，波片的厚度也随之增加，导致对太赫兹波的损耗增加。在0.2~2.0 THz和0.2~3.0 THz范围内，太赫兹λ/4波片采用5个玻片为最佳，此时可以获得较好的消色差性能，同时波片的厚度和损耗也在可实际应用范围内。

石墨烯特殊的零带隙能带结构和载流子弛豫特性，在研究太赫兹辐射源相干放大领域引起广泛关注。考虑带内和带间跃迁对电导率的贡献，研究了光抽运单层和多层石墨烯中非平衡二维电子空穴系统的动态电导率特性。结果表明，在足够强的光抽运下，石墨烯中的粒子数反转能够使得动态电导率的实部在太赫兹频段内出现负值，这使基于石墨烯的太赫兹放大或受激辐射源成为可能。同时，通过研究动量弛豫时间、温度、层数、光强对石墨烯的负动态电导率的影响表明，石墨烯多层结构的动态电导率最小值的绝对值更大，作为太赫兹激光器的激活介质更具优势。

激光引信在降雨中工作时会受到雨滴的散射和衰减效应，使光束质量变差，回波能量减小，从而影响探测系统的性能。以蒙特卡罗方法为基础，给出了激光在降雨中的传输模型，分析不同模拟条件下光束的扩展特性，并进行实验测试。由仿真分析可知，雨滴对光束的散射作用导致光斑扩散，从而光束能量密度减小，并且随着降雨强度、传输距离和光束发散角的增大，光子散射次数增多，光斑直径扩大，到达接收面的光子减少，光束能量衰减。实验测试结果与仿真计算基本一致，最大误差不超过4%，很好地验证了模型的准确性。

为分析不同大气湍流条件下望远镜的分辨力，计算了非科尔莫戈罗夫(Kolmogorov)湍流条件下望远镜的分辨力。通过非科尔莫戈罗夫湍流条件下大气的相位结构函数推出望远镜长曝光和短曝光传递函数，进而推导了望远镜的分辨力函数，并得到望远镜口径无穷大时的长曝光极限分辨力与湍流功率谱指数β之间的关系，最后由望远镜的极限分辨力函数推导了望远镜的归一化分辨力函数。结果表明，β越小望远镜的极限分辨力越高，β越大望远镜的极限分辨力越低；不同的β，望远镜的短曝光和长曝光的最佳分辨力所对应的D/r0也不同。

建立了双平衡式外差探测IQ解调的数学模型，通过旋转λ/4波片来改变IQ信号间的相位差。从本振光强度过剩噪声、散粒噪声和热噪声三个方面对平衡式外差探测系统的信噪比(SNR)进行了仿真。仿真结果表明，当旋转λ/2波片使分束比在(0~0.272)和(0.728~1)范围内时，单源探测信噪比比平衡式探测的信噪比高；而分束比在(0.272~0.728)时平衡式探测的信噪比高于单源探测。搭建了2 μm双平衡式外差探测实验系统，当分束比为0.5时，平衡式外差探测的信噪比比单源外差探测的信噪比提高10 dB以上，从而证明了双平衡式外差探测系统在微弱信号检测中的可行性和优越性。

针对轴向预载随结构的热变形改变而导致光机系统特性失效的设计难点，提出了一种光机结构轴向一致性可控方法。建立光机结构的热效应模型，分析热变形与轴向预载的关系，通过与传统轴向压紧结构的热分析比较，设计了一种轴向预载与温度变形一致可控的挠性构件；对不同结构参数挠性构件的变形分析表明，所设计的挠性构件在温度变化时具有很高的轴向变形可控性；建立了轴向变形量Δδ与挠性构件参数的数学模型，给出具体结构参数的设计方法。将所研究的挠性构件引入星模拟器的结构设计中，实际测试结果表明光机系统具有很好的常温特性，验证了所提光机结构轴向一致性可控方法的有效性。

从设计优化算法和拟合方法两方面，研究了提高二元光学元件(BOE)激光束整形性能的方法。利用盖师贝格萨克斯通(GS)算法和平滑修正法相结合的混合算法以及改进的平滑修正法，在保持顶部均匀性的前提下提高了能量转换效率，在极坐标下得到了高质量的均匀圆光束和空心环形光束输出。研究了元件半径、采样点数和初始半径与拟合精度之间的关系。在Zemax中得到了合理的BOE相位结构，输出光束满足设计要求。

提出基于频域分析的色散补偿方法，对光学相干显微镜的干涉信号进行快速傅里叶变换，得到频率幅值极大值对应的平均波数，将提取的解包裹后的相位以平均波数为中心做多项式拟合，得到二阶色散系数。实验中，通过在参考臂中插入不同厚度的色散介质来引入两个干涉臂色散介质的光程差，并求得相应的二阶色散系数。通过最小二乘线性拟合，证实了二阶色散系数和色散介质的相对厚度具有很好的线性关系。根据该线性关系，可以在参考臂中插入适当厚度的色散介质来完全补偿干涉系统的二阶色散。

研制了应用于平焦场光栅谱仪系统的宽微带X射线分幅相机，微通道板(MCP)微带阴极的宽度为20 mm，由四路选通脉冲同时驱动。分幅相机采用模块化设计，由气室、MCP变像管、电控系统、光学CCD记录系统和内嵌式计算机组成，内嵌PC104模块实现相机的远程控制。对相机进行联调实验，测得该相机的时间分辨率为71 ps，空间分辨率为20 lp/mm，垂直于选通脉冲传播方向的微带均匀性为1.51，平行于选通脉冲传播方向的微带均匀性为5.11。

基于质点振荡的模型和数值模拟的方法，研究了波导参数和传播常数对光折变晶体与线性电介质界面光折变表面波类型和局域表面波模的影响。当波导参数大于传播常数时，在光折变晶体与线性电介质界面可以产生非局域表面波。当波导参数小于传播常数时，在光折变晶体与线性电介质界面可以产生振荡表面波和局域表面波。在局域表面波形成的系统内，正波导参数的光波能量比负波导参数的光波能量在光折变晶体内聚集得多。在给定一个局域表面波形成的物理系统，传播常数越大，表面波在线性电介质和光折变晶体中衰减就越快，对应表面波模的波峰离界面就越近。