为了研究偏振光在椭球细粒子中多次散射的传输特性，建立了以黑碳气溶胶粒子为对象的仿真与实验验证系统。采用T矩阵和蒙特卡罗相结合的方法，对偏振光经随机取向椭球细粒子多次散射后的偏振传输特性进行仿真研究，建立半实物模拟测试平台对仿真方法进行验证，采用延长灵芝孢子燃烧时间的方式制备椭球细粒子，分别由马尔文粒度仪和光功率计测试椭球细粒子的尺寸分布和光学厚度，建立实验与仿真间的联系，验证了仿真结果的正确性。结果表明：随着黑碳椭球细粒子浓度的增加，水平、垂直、+45°线偏光和右旋圆偏光的偏振度都随之下降，且3种线偏振光的保偏性基本一致；随着浓度的增大，圆偏振光的保偏性逐渐优于线偏振光，且两者保偏性差距越来越大，在光学厚度为3.12时达到最大值，当光学厚度大于3.12时，圆偏光和线偏光的偏振度差值趋于稳定。经计算，仿真与实验结果符合度优于70.84%。本研究结果可扩展偏振探测的适用范围，为非球形颗粒物环境下偏振探测研究提供理论支撑。

相控阵器件具有色散的作用，而激光器中心波长通常会产生一定漂移，也具有一定光谱宽度，导致大角度偏转情况下，激光光束位置与光功率分布发生改变。针对这一问题，通过液晶空间光调制器与级联液晶偏振光栅两种相控阵器件色散理论，推导出组合液晶相控阵器件波长与坐标之间的关系公式。结合激光光源的光功率谱分布与单模激光的截面功率分布公式，推导出高斯光束经过组合液晶相控阵器件后的光功率分布公式。针对公式计算上的困难给出了简易计算方法。结合特定实例，计算出1 000 km外色散特性以及波长漂移引起的位置偏差，色散特性以及光谱宽度引起的光束截面功率分布。根据设定系统参数与偏转角度分析了液晶相控阵器件色散特性对能量收集的影响，分析结果表明：激光光束截面功率向色散方向延伸，偏转角度越大，色散引起的变化越严重，中心位置偏移越严重，峰值位置功率密度越低。

针对含有自由曲面的空间光学系统中偏振像差对探测精度和成像质量的影响，基于琼斯表示法，提出以条纹泽尼克多项式为表征函数的自由曲面离轴光学系统偏振像差分析方法，构建了自由曲面反射光学系统偏振像差解析模型，分析了条纹泽尼克多项式低阶系数对视场离轴光学系统偏振像差分布的影响；通过全视场偏振光线追迹仿真及系统引入自由曲面前后的对比，揭示了自由曲面对离轴光学系统相位像差、相位延迟和二向衰减3种偏振像差的作用规律；最后，设计了含有自由曲面的大视场离轴三反偏振成像光学系统，并分析了系统全视场的偏振像差。分析结果表明：相位像差分布与自由曲面面形矢高分布一致，自由曲面引起的二向衰减和相位延迟占系统总体二向衰减和相位延迟的52.5%。掌握这种偏振特性变化对于设计深空天文望远镜等甚高精度的光学系统具有重要意义。

正交级联液晶偏振光栅可实现光束大范围偏转，在空间激光通信与激光雷达等领域具有广阔的应用前景，其大部分应用领域均需要同时发射激光与接收激光，如何解决发射光与接收光分离的问题尚未见报道。针对这一问题，文中根据1/4波片、1/2波片以及液晶偏振光栅理论推导了线偏振光源经过被动液晶偏振光栅层以及正交级联液晶偏振光栅后偏振态的变化，验证了出射光偏振态与光束偏转角度的可逆性。采用偏振分光棱镜、1/4波片、1/2波片、正交级联液晶偏振光栅等器件设计了一种可实现发射光与接收光偏转与分离的光学结构，构建了测试系统，最后通过测试结果证明了理论的正确性与结构的适用性。