报道了高功率半导体可饱和吸收镜被动锁模的2.0 μm掺铥飞秒脉冲光纤激光器的实验结果。该光纤激光器利用半导体可饱和吸收镜与宽带全反射镜来构成线型法布里珀罗腔，自制的1550 nm连续掺铒光纤激光器作为激光抽运源。当抽运功率为312 mW时，开始得到稳定的重复频率为53 MHz的锁模激光脉冲串。当抽运功率增加到472 mW 时，得到的最大平均输出功率为50 mW，相应的最高单脉冲能量为0.94 nJ；此时测得锁模激光脉冲的宽度为907 fs，激光的中心波长为1939.5 nm，3 dB光谱带宽为4.6 nm。

报道了一台激光二极管(LD)双端面抽运Nd:YLF和Nd:YAG双晶体串接多波长输出脉冲激光器。在抽运能量40.5 mJ，电光调Q重复频率500 Hz的工作条件下，获得单脉冲能量约为6 mJ的1064 nm/1053 nm双波长激光脉冲输出，光光转换效率约为14.8%。相同抽运条件下在腔内插入I类相位匹配LBO晶体作为非线性频率转换器，获得了脉冲总能量为3.6 mJ的526.5、529.0、532.0 nm三波长同时输出，由抽运光到输出绿光脉冲的转换效率约为8.9%，测得光束质量因子分别为M2x=1.61，M2y=1.25。

大口径倒腔式等离子体开关是神光Ⅱ升级装置倒腔式多程放大方案的关键单元，该方案要求等离子体开关能够在极短的时间内完成工作状态的转换。采用正负开关脉冲驱动的等离子体开关响应时间较长，无法满足装置的使用要求。基于Blumlein脉冲形成线结构的高压低阻抗开关脉冲发生器能够实现倍压输出，使单一脉冲驱动等离子体开关成为可能，从而大幅减小开关响应时间。单一脉冲驱动的350 mm×350 mm口径倒腔式等离子体开关理论充电时间约为54 ns，其开关响应时间可做到小于90 ns。实验测得的等离子体开关全口径开关效率大于99.7%，静态消光比大于381，时间窗口顶宽大于160 ns，底宽小于400 ns，上述指标均满足神光II升级装置的使用要求。

利用1.8 cm长的Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃光纤作为增益介质制作了一个可调谐的短直线腔窄线宽单偏振单纵模光纤激光器。其谐振腔反射镜由高反射率的光纤布拉格光栅(FBG)和低反射率的保偏光纤FBG构成，使用976 nm单模半导体激光器作为抽运源。当进入谐振腔的抽运功率为360 mW时获得了输出功率65 mW，信噪比大于70 dB，线宽约为3 kHz，偏振消光比达到40 dB的激光输出。另外，通过使用压电陶瓷(PZT)调节增益光纤的长度实现了激光波长的电调谐，其调谐斜率约为14.2 MHz/V。再利用一个-3 dB带宽约为11 GHz的FBG作为鉴频器和参考频率，采用边频锁定的方式进行主动稳频，使得激光输出的长期频率波动从25 MHz/10 s减少到了2.5 MHz/h，从而实现了全光纤结构的高功率、高频率稳定性的单频光纤激光器。

在惯性约束聚变高功率激光装置中，严重的低频波前畸变会引起空间滤波的小孔截断，降低光束质量。采用相位调制的离焦波前来分析不同程度的离焦对空间滤波过孔和输出光束质量的影响，得到了空间滤波器对波前离焦的容限。在这种模型下的计算结果表明，球面相位因子入射光聚焦光斑焦点位置的偏移距离与其曲率半径成反比，光束质量随着输入光束曲率半径的绝对值减小而降低。对于等焦距11.8 m、小孔半径角200 μrad的空间滤波器，临界频率处畸变波前的球面相位因子曲率半径绝对值不能小于3.5 km。曲率半径为3 km时，相位调制的空间频率小于1.57 mm-1时光束质量会急剧下降。

分别利用1 kHz和200 kHz两种重复频率的近红外飞秒激光，经过低数值孔径的物镜聚焦，空间选择性地辐照KCl晶体，在KCl晶体内部诱导出了一系列色心缺陷。通过飞秒激光辐照前后KCl晶体的吸收光谱分析，明确了飞秒激光照射后KCl晶体内部5种色心的归属，发现色心的浓度随着飞秒激光功率的升高而增长。对吸收光谱的分析表明，两种重复频率的飞秒激光所诱导的色心吸收带相应的峰值略有偏移。认为这是由高重复频率的飞秒激光的热累积效应引起的。理论分析表明，KCl晶体内部的点缺陷和高功率密度飞秒激光与KCl晶体相互作用所诱导的多光子吸收是色心形成的主要原因。

激光透射连接具有生物相容性的异种材料在生物医学植入体及其封装中具有良好的应用前景。利用半导体激光器对镀钛玻璃与聚对苯二甲酸乙二酯(PET)进行激光透射连接试验，其中玻璃上镀钛薄膜是通过射频磁控溅射方法完成的镀膜。通过单因素工艺研究了主要工艺参数激光功率、扫描速度和镀钛薄膜的厚度对连接强度的影响，并探讨了玻璃基片的表面粗糙度对镀钛薄膜粗糙度以及其连接强度的影响。通过搭接剪切试验得到镀钛玻璃与PET之间的连接强度，采用真彩共聚焦材料显微镜对拉伸失效后的试样表面进行观测和失效分析，使用X射线光电子能谱(XPS)检测激光透射连接过程中镀钛玻璃与PET之间化学键的形成信息。结果表明：主要工艺参数激光功率、扫描速度对连接强度有着重要影响，增加玻璃基片的粗糙度和镀钛薄膜的厚度可以提高其连接强度，为激光透射连接镀钛玻璃与聚合物提供了参考。

采用激发态DF(v)传能给CO2(0000)的方式，在双波段激光实验平台中的CO2增益模块上实现了10P20(944.27 cm-1)、10P12(955.26 cm-1)CO2激光输出。从流量控制、燃料注入方式、最佳光轴位置、功率稳定性和激光光斑五个方面开展研究，获得了DF-CO2激光最大输出功率为2.3 W，激光器运转腔压为2 kPa左右。

为了减小四频差动激光陀螺(FMDLG)对外界干扰的敏感性，设计了自适应程长控制系统使之工作于最佳工作点。对FMDLG的程长进行小抖动正弦调制，利用相敏检波技术从光强中提取调制信号的基波和二次谐波幅度。上述两个信号和光强一起用来实现自适应程长控制，它包括自动增益控制、自动调制幅度控制和程长控制3个环路。实验表明，自适应控制可有效消除光学和电子元件参量以及光强变化对控制系统的影响，而且可使FMDLG稳定地工作在最佳工作点上，从而降低其磁灵敏度。

实验研究了以钛宝石薄片作为增益介质的再生激光放大器，其钛宝石薄片厚度为2 mm，前表面作为通光面，镀有对抽运激光和放大激光增透的高阈值双色介质膜，后表面作为反射面，镀有对抽运激光和放大激光高反的高阈值双色介质膜，晶体对抽运激光的吸收率大于80%(1次透射和1次反射)。在再生腔中，钛宝石晶体不仅作为增益介质，也作为反射腔镜，简化了放大腔腔型。钛宝石晶体采用端面冷却的方式，极大地降低了晶体中的热效应，从而提高了放大脉冲激光的光束质量，在此基础上获得了能量为5.2 mJ的放大激光脉冲输出，能量转换效率达到11.5%，放大激光光束质量因子M2小于1.2。

激光清洗作为环保节能的绿色清洗方法，在钢铁材料表面除漆领域具有重要的应用前景。利用波长为1064 nm，重复频率为0.5~50 kHz可调的声光调Q准连续Nd:YAG激光对钢基底表面漆层样品进行了清洗实验和工作机理研究。模拟和实验结果表明，在钢基底表面漆层脉冲激光去除中，阈值清洗条件下有效清洗机理是振动效应，而有基底损伤时有效清洗机理是振动效应和烧蚀效应；对于厚为50 μm漆层的钢铁基底，在平均功率20 W以上且搭接率为80%时，能够完全清除基板表面油漆而不损伤其基体。在保证激光功率密度和扫描搭接率适当的同时，通过提高激光器输出功率、脉冲重复频率或增加光斑直径，可以获得更好的清洗效果和更高的清洗效率。

为提高汽车车身用双相(DP)钢焊接构件在动态载荷下应用的可靠性，利用脉冲NdYAG激光器，对DP600进行激光对接焊，利用光学显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度计、材料拉伸试验机等分析测试手段，研究了焊接接头的显微组织和高应变速率下的拉伸性能。结果表明，在合适的脉冲激光焊接参数下，DP600钢板可获得成形均匀的激光深熔焊缝。焊接接头的焊缝区(WZ)主要为马氏体组织，硬度高于母材；热影响区(HAZ)较窄但存在马氏体回火软化现象。焊接接头力学性能对应变速率较为敏感，随应变速率的增加，屈服强度和抗拉强度增加，而塑性均小于母材。不同应变速率下DP600对接焊拉伸断口均为韧窝形貌，呈典型的韧性断裂特征。

解析梯度折射率(GRIN)光纤探针的光学特征参数，用于光学相干层析技术(OCT)探头超小型化的研究。在概述由单模光纤、无芯光纤和GRIN光纤镜头构成的GRIN光纤探针模型的基础上，定义GRIN光纤探针的工作距离和聚焦光斑尺寸等光学特征参数，并用高斯光束复参数矩阵变换的方法推导探针光学特征参数的数学表达式，提出了探针光学特征参数的验证方法。结果显示，当无芯光纤和GRIN光纤镜头长度分别为0.48 mm和0.17 mm时，理论计算的工作距离和聚焦光斑尺寸分别为1.05 mm和28.2 μm；实验测得的工作距离和聚焦光斑尺寸分别为1.0 mm和28 μm。理论计算与实测结果吻合，验证了GRIN光纤探针光学特征参数及其解析方法的有效性。

为开展长距离高精度时间频率传输系统研究，对多级光纤时间频率传递级联系统的时延抖动进行理论分析，得出级联系统总时延抖动的一般公式。在实验上实现了两级级联50 km光纤时频传递系统的闭环锁定，分别通过测试单级系统和级联系统的鉴相误差电压得到其时延抖动。通过实验结果和理论计算比较，分析了主要实验误差来源；通过分析掺铒光纤放大器(EDFA)放大自发辐射(ASE)产生的噪声对信噪比(SNR)的影响，系统频率稳定度由于信噪比的下降而产生劣化。

基于多模干涉理论和长周期光纤光栅(LPFG)的传感特性，提出了一种单模多模单模(SMS)结构与LPFG级联的光纤传感器，实现了温度和折射率的同时测量。实验结果表明，SMS结构的干涉谱和LPFG对温度和折射率具有不同响应灵敏度，其温度灵敏度分别为0.017 nm/℃和0.060 nm/℃；SMS结构对折射率不敏感，而LPFG的折射率灵敏度为-35.60 nm/RIU(RIU为折射率单位)。因此利用敏感矩阵，实现对温度和折射率的同时测量，得到温度和折射率的最大测量误差分别为±0.59 ℃和±0.0013。该结构灵敏度高、结构简单，且不易受电磁等干扰。实验结果具有良好的线性度，在生物化学领域应用前景良好。

基于光反馈垂直腔面发射半导体激光器(VCSELs)混沌驱动同步，提出了一种光反馈VCSELs混沌保密通信系统。通过模拟信号和数字信号在该系统的混沌保密通信的实现，验证了该系统的可行性。进一步利用该方案实现了对文字和数字图像的保密通信，并对解密图像及原始图像灰度值的差值做了相关计算。数值模拟结果说明该通信方案具有良好的解密效果。

为了减少直接检测的光正交频分复用(DD-OOFDM)传输系统中色散对系统的影响，传输系统使用了基于频域的最小均方(LMS)自适应均衡技术，由于基于频域的LMS估计方法计算复杂度低且便于信号块处理，相比最小平方(LS)估计方法，可更有效地追踪信道变化，减小相位噪声对传输系统的影响。实验结果表明，经背靠背(BTB)和100 km标准单模光纤(SSMF)传输后，使用频域LMS估计方法的信号比使用频域LS估计方法的信号系统接收功率代价在误码率为10×10-2.5和10×10-2.0时分别降低了2 dB及2.5 dB， 频域LMS估计方法比频域LS估计方法对传输系统具有更好的色散补偿效果。

介绍了光纤陀螺的磁敏感性机理并进行了实验研究。利用亥姆霍兹线圈装置和光纤陀螺测试平台，研究了光纤陀螺在直流磁场中的磁敏感性，得到光纤陀螺数据输出与磁感应强度基本呈线性关系，以及轴向磁场和径向磁场影响系数的大小和光纤陀螺磁敏感轴的方向。主要针对50 Hz的交流磁场研究交流磁场对光纤陀螺零偏和零漂的影响及其交流磁敏感性，得到交流磁场对零偏的影响可以忽略，但磁感应强度与陀螺零漂值的大小基本呈线性关系。研究了不同频率交流磁场对光纤陀螺输出的影响，说明了光纤陀螺数据输出主要与瞬态的磁感应强度成正比，不同频率交流磁场对光纤陀螺零漂值的影响不同，存在一个频率(或频率范围)对光纤陀螺零漂的影响较大，其频率范围与光纤陀螺输出带宽有关。

提出了一种新的光纤多防区周界传感系统，采用波分复用技术实现了监控防区和通道的扩展。该系统对传统采用单根传感光纤和反射镜的结构作了改进，并扩展了传感光纤的数量，将多根传感光纤分别置于监控领域内的不同防区，每个防区分别用不同中心波长的光纤布拉格光栅作为反射装置，使每根传感光纤工作在不同的波长。利用波分复用器件与技术，多根传感光纤共用一套干涉系统，实现了多个干涉子系统同时、独立的监测。实验结果表明，该系统可以实现多个分散防区同时、独立的入侵检测和定位，信号响应时间小于1 ms，不同防区间信号的串扰小于-20 dB。

从信号频域处理的角度分析并实验验证了一种基于微波光子滤波器的归零(RZ)码到非归零(NRZ)码的码型变换方案。理论上，通过对RZ和NRZ码基带信号的频谱特点以及微波光子滤波器的特性进行分析，构建一个低通滤波器并对RZ码信号进行滤波，强烈抑制RZ码信号中的时钟分量，最终实现RZ到NRZ码的码型转换。在实验中，采用一种两抽头加色散延时的微波光子滤波器对速率为10 Gbit/s的RZ码信号进行了处理，成功得到了转换后的NRZ码信号。信号波形和频谱均显示了此方案的良好性能。通过简单地调节微波光子滤波器的部分参数，可对任意速率的信号进行处理，具有很好的灵活性。

掺镁铌酸锂晶体(MgLiNbO3)是一种相对难刻蚀的晶体，MgLiNbO3的干法刻蚀速率和刻蚀形貌控制是铌酸锂光电子器件加工中的关键技术之一。采用牛津仪器公司的Plasmalab System 100以SF6/Ar为刻蚀气体，具体研究MgLiNbO3的刻蚀速率随着感应耦合等离子体(ICP)功率、反应离子刻蚀(RIE)功率、气室压强和气体流量配比等刻蚀参数的变化，同时研究发现SF6/(Ar+SF6)气体流量配比还会影响刻蚀表面的粗糙度。实验结果表明：在ICP功率为1000 W，RIE功率为150 W，标准状态(0 ℃，1个标准大气压)下气体总流量为52 mL/min，压强为0.532 Pa，SF6/(Ar+SF6)气体体积分数为0.077的条件下，刻蚀速率可达到152 nm/min，刻蚀表面粗糙度为1.37 nm，可获得刻蚀深度为2.5 μm，侧壁角度为74.8°的表面平整脊形MgLiNbO3结构。

锑铋合金薄膜是一种新型超分辨光学功能材料，了解它的基本光学性质对其在光学信息存储及光子器件应用方面具有重要意义。用磁控溅射法制备了不同成分的锑铋合金薄膜(Sb1-XBiX，X=0，0.1，0.2，0.3，0.88，1)，用椭圆偏振法测量了薄膜的光学常数(折射率n和消光系数k)。研究表明，在可见光波段(300～850 nm)，锑铋合金膜的折射率和消光系数都随着铋含量的增加而减小，且薄膜折射率和消光系数同时随波长的增加而增加，折射率呈现反常色散特性。用原子力显微镜、X射线衍射仪研究了成分变化对薄膜表面形貌和微结构的影响。研究表明，锑铋合金薄膜的微观结构呈现多晶态，晶化程度随着铋含量的增加而增加，这可能是影响其光学常数变化的主要因素。

提出了一种非接触式结构光测量液面微变形剖面曲线的方法。基于几何透射虚栅变形的原理，推导了液面离面变形与水底虚栅面内位移之间的数学关系。将一张单向几何光栅（频率为1~5 line/mm）置于盛有已发生变形的水的透明水槽下方，并在水槽上方布置电荷耦合器件(CCD)相机，记录下因液面离面变形而产生的透射虚栅变形图。使用条纹中心算法对所采集的变形栅图进行细化、赋级和插值运算，可得到该虚栅图的位移矢量场。将之代入所推导的数学关系式中，即可迭代求得液面的离面变形剖面曲线。运用该方法对一分硬币漂浮于水面时引起的液面离面变形剖面曲线进行求解绘制，所测得结果与已有文献的结果相比较相差仅为2%，证明了该方法的有效性和可行性。

星载激光测高仪(SLA)接收滤波器带宽(RFB)直接决定系统的使用性能。根据星载激光测高仪的工作原理，建立了激光测高仪回波信号及输出信噪比(SNR)的简化模型，并推导了测距误差、探测概率和虚警概率的数学表达式。在探测概率和虚警概率满足阈值要求的前提下，提出了一种以测距误差最小化为依据的滤波器带宽优化设计方法。以MOLA-2星载激光测高仪系统为例，仿真计算出不同目标倾角对应的滤波器带宽值及其测距误差的分布规律。结果表明，在0°~40°目标倾角范围，滤波器带宽优化设计值比传统方法设计的结果要大，其差异达到0.7~58.7 MHz，而对应的测距误差要小于传统方法解算的数值，其差异为0.2~16.2 m。受测量对象多样性和复杂性的限制，无法使每个探测目标对应一个滤波器，则采用多个通道的滤波器分段式地对优化的测距误差分布曲线进行拟合，以获取到每个通道的滤波器带宽及对应的探测目标倾角范围。滤波器带宽优化设计方法为其实际制造提供了一种更为优越和可行的方案。

在现代发射轨道空间弹丸飞行姿态研究中，通过轨道上的多组阴影相机基站瞬态捕捉弹丸姿态图像数据，对图像数据进行处理计算可以获得弹丸的飞行轨迹数据。因此，阴影相机的空间坐标校正对飞行姿态数据的获取以及测量精度有着重要的影响。针对传统悬线型基准系统校正误差大以及因每组相机间独立校正而导致的空间几何坐标校正一致性低的问题，基于光电位置传感器和光学杠杆原理，设计了新型阴影相机空间几何坐标校正系统。阐述了该系统的理论背景、组成以及调校方法，并对该系统进行了实验分析。实验结果表明，采用该系统校正阴影相机俯仰角精度优于10″，单组相机校正实验测量结果误差不超过0.06 mm，多组相机校正一致性误差不超过0.1 mm。

光束稳定技术是光刻机照明系统中一项重要的单元技术，其作用是将激光器出射的经长距离传输后的光束稳定在需要的指向和位置上，以保证照明系统具有稳定的光强分布。光束稳定系统主要由光束测量和光束转向两个功能模块组成，推导了两个模块之间的光束传递矩阵，并基于LabView搭建了光电闭环控制实验系统。对系统性能进行了测试，通过人为引入已知光束漂移量得到如下结果：系统的指向稳态误差低于±3 μrad，位置稳态误差低于±0.04 mm，系统调整时间小于80 ms。结果表明该系统可以精确地把光束稳定在需要的指向和位置。

载流子迁移率是标定共轭聚合物光电器件性能的重要参数，在数值上其大小远小于传统半导体材料，所以常常用飞行时间方法来测量。利用自行搭建的变温飞行时间检测系统，能够准确地测量聚合物中载流子的迁移率。从原理和实践上，讨论了影响检测结果的限制因素和关键参数，其中包括光生载流子数量、薄膜样品厚度、激发光脉冲宽度、检测外电路的响应时间、载流子在电介质中的弛豫时间和对放大器探测器频率的限制等。只有选取恰当的实验参数才能够获得准确可靠的检测结果。

外差激光干涉仪能够通过光波细分达到亚纳米分辨率，因而在科学研究和精密机械制造中得到了广泛应用。然而，由于光学系统中不可避免的缺陷，导致被测信号中出现一个附加的相位误差，使测到的相位移和被测长度不呈线性关系，成为现有激光干涉仪难以逾越的精度极限。为此，通过光学相位补偿理论的研究得出一种消除激光干涉仪非线性误差的方法，它可以应用在大部分科学实验和工业制造中的纳米长度测量中，而且不论是一阶或二阶误差都可以通过这个方法被消除。

针对接近接触式光刻技术的特点，提出了一种实用的反射式光刻对准方案。方案采用差动叠栅条纹对准技术，以叠栅条纹相位作为对准信号的载体。在掩模和硅片上分别设计两组位置相反、周期接近的光栅对准标记。电荷耦合器件(CCD)成像系统接收叠栅条纹图像，采用傅里叶变换提取叠栅条纹相位，得到掩模与硅片的相对位置关系。设计的标记可同时探测横纵方向的对准偏差。给出了合理的光路设计方案,详细分析了整个系统对准的内在机制，建立了可行的数学模型。研究表明，当对准偏差小于1 pixel时，最大误差低于0.002 pixel。与透射式光路对比，该方案更具有实用性，满足实际对准的要求。

全光模数转换器(ADC)在高速信号处理领域有重要应用。研究了基于偏振光干涉的移相光量化(PSOQ)全光模数转换器的频率响应特性。实验中将不同频率的正弦信号经过4 bit移相光量化全光模数转换器量化编码后，得到对应的数字信号。通过离散傅里叶变换，获得各个频率点的频谱。对频谱进行分析，得到不同频率下全光模数转换器的响应范围为74.07～74.22 dB，响应起伏小于0.15 dB。在此基础上，对频率为1 GHz的三角波信号进行全光量化，并得到3.31 bit的有效量化精度。结果表明，移相光量化方案的频率响应特性较好，验证了该方案应用于任意波形全光量化的可行性。

利用已搭建的2.52 THz焦平面成像装置和离轴数字全息装置，通过分辨率测量和水印及铅笔字成像，研究了焦平面成像和离轴数字全息成像这两种面阵成像的性能。实验证明，常规的焦平面成像由于太赫兹波长较长，很难获得较高的成像分辨率，且成像效果受放置位置的影响严重；太赫兹离轴数字全息成像可以提高成像分辨率，但成像物体大小受系统分辨率制约；焦平面成像较离轴面阵数字全息成像更适于大目标低分辨率成像。

基于颜色传递和匹配原理，讨论了彩色计算全息色系和计算机显示色系下颜色量的一般转换关系，同时研究了计算全息物光波振幅和其对应的颜色量之间的等色传递问题，建立了计算全息物光波振幅与计算机显示色系下颜色量之间所应满足的关系。在此基础上对计算彩色彩虹全息术颜色复现机理进行了详细的讨论，给出了计算彩色彩虹全息术颜色复现时的三原色。

利用广义惠更斯菲涅耳原理计算高阶贝塞尔高斯光束(BGB)在非柯尔莫哥诺夫湍流模型下传输的横向光强分布特性。该模型中，湍流对相位干扰的大小与距离和幂律有关。在远距离处，幂律对干扰大小的影响较为明显。通过Matlab进行数值计算的结果表明，远距离处(10 km)的各阶BGB光束光强分布形式均有很大展宽，同时它们随幂律的变化也相对于短距离时更为剧烈。高阶BGB光束受到湍流干扰的影响要小于低阶光束。对于同阶光束来说，横向参数越大的光源在湍流中传输的展宽现象也越为明显。

基于广义惠更斯菲涅耳原理，并利用Rytov相位结构函数二次近似的方法，推导出了受光阑限制的高斯谢尔模型(GSM)光束通过湍流大气传输的二阶矩宽度及扩展角解析表达式。以未受光阑限制的GSM光束为参照光束，分别利用扩展角和归一化远场平均光强分布研究了受光阑限制的GSM光通过湍流大气传输的方向性。研究表明，若以扩展角表征光束的方向性，则在一定条件下，截断参数δ不同的受光阑限制的GSM光束能够与相应的未受光阑限制的GSM光束在自由空间及湍流大气中具有相同的方向性；若以归一化远场平均光强分布表征光束的方向性，则即使扩展角一致，δ不同的受光阑限制的GSM光束与相应的未受光阑限制的GSM光束在自由空间中的方向性也并不相同，但在湍流中则一致。

提出平均散射相函数，更为准确地反映了云滴粒子的角散射强度分布特性；基于概率论和随机迁移理论，以马尔可夫数据链的形式建立多次散射随机分析模型，借助蒙特卡罗仿真得到给定通信几何构架下的非视距大气光散射链路路径损耗特性；针对大气链路中有无云存在两种实际，从大气气溶胶散射和云散射两个方面分析非视距大气光散射链路的最优化通信构架设计；通过模型仿真结果与实地实验数据的对比验证了分析的合理性。结论与波长相关，实验及仿真均采用808 nm波长的激光二极管(LD)作为光源。

为了降低大气湍流和通信终端相对运动对通信系统性能造成的影响，对采用了圆偏振调制原理的通信系统进行了研究。激光的圆偏振特性在大气传输中变化很小，且圆偏振光具有旋转对称性，系统的性能不受两通信终端相对运动的影响，降低了技术的实现难度，具有很高的可靠性，特别适用于移动通信终端。介绍了两种圆偏振调制方式，推导了线偏振态与圆偏振态之间的转换过程，为圆偏振编码解码提供理论基础。针对这两种调制方式，提出了具体的实现方案，并设计出了圆偏振调制激光通信系统，在该系统中可验证两种编码方式，且结构简单、实现方便，可作为星载通信终端。并进行了简单的圆偏振编码通信实验，实现了数据发射和接收，证明了圆偏振调制的可行性。