提出了一种融合新型支撑方式与灵敏度分析的光机热集成分析与优化方法，用于设计超高精度深紫外光刻投影物镜系统。首先，采用轴向多点与周向三点胶接支撑相结合的新型支撑方式，实现了212.51 mm口径光学元件的超高精度定位要求。其次，通过对光学元件进行热力耦合分析，验证了光机系统的合理性。然后，在光机热集成分析条件下，分析了单个光学元件的灵敏度，以及全部光学元件表面变形对整体光学系统波像差均方根值和校准F-tan θ（F为焦距，θ为物方视场角）畸变的影响。最后，通过调整部分光学元件的灵敏度进行局部优化，并对整体光学系统的像质进行优化。结果表明：在热力耦合条件（参考温度为22.5 ℃、极限工作温度为±2.5 ℃、重力）下，光学元件的最大表面面型均方根（RMS）值为9.86 nm，能够满足超高精度定位要求。在光机热集成分析条件下（参考温度为22.5 ℃、极限工作温度为±2 ℃、重力），优化后光学系统的波像差RMS值小于10.50 nm，校准F-tan θ畸变小于6.00 nm，相较于优化前，波像差RMS提升了46.98%，校准F-tan θ畸变提升了77.69%，达到了设计要求。

对于空间相机来说，高分辨率要求相机的焦距要长，长焦距则会导致主次镜间距变大，从而导致空间相机的体积增大，空间利用率降低。为了充分减小空间相机发射时的包络尺寸，降低空间相机的发射成本，针对同轴三反式光学系统设计了一种基于空间四连杆的高精度可重复式次镜展开机构。对该次镜展开机构进行误差分析，对次镜展开机构的模型进行有限元分析以评估机构的可靠性，并设计了机构可重复性实验验证次镜展开机构的可重复性。次镜展开机构折叠后空间相机光轴方向长度由875 mm压缩为324 mm，体积压缩63%，展开状态下的基频为96.64 Hz，重复展开位移极限误差最大为15.61 μm，倾斜极限误差最大为16.89″。结果表明，该机构实现了空间相机体积的压缩，且锁紧状态下的基频符合在轨使用要求，重复精度满足光学系统要求，能够适应微纳卫星的运载条件，可以应用于航天实践中。

建立了一种以面心立方三维光子晶体为基础的有限元预测模型，研究了纳米粒子折射率、溶剂折射率、粒子直径、粒子间距等参数对反射光谱的影响。根据预测结果制备了优化尺寸的Fe₃O₄@SiO₂纳米粒子电调谐器件。结果表明，有限元模型预测的反射光谱中心波长在680 nm至455 nm范围内移动，与制备器件的测试光谱匹配性良好。与解析预测模型相比，建立的三维有限元预测模型得到的反射光谱中心波长的预测结果准确性更高。对于非核壳结构，两种模型的预测误差范围分别为0.49%~1.70%、0.82%~1.49%，表现相当；对于核壳结构，两种模型的预测误差范围分别为3.51%~6.11%、0.28%~1.34%。本文建立的三维有限元模型将预测误差典型值降低为原来的1/5.9。所提模型可用于准确预测胶体体系下自组装光子晶体反射光谱的动态调谐能力，弥补了解析预测模型在核壳结构光子晶体预测准确性方面的不足，可指导粒子材料参数和结构参数设计，以及可调谐范围的优化区间筛选。对反射光谱幅值和谱宽预测准确性的提升需进一步考虑短程有序结构等随机微扰特性的影响。

以Ti6Al4V沉积层为基体，研究基体表面预处理对超音速激光沉积涂层/基体界面结合的影响。试验前，基体表面经过三种不同方式的预处理，分别为抛光、打磨和喷砂。利用X射线衍射仪和表面轮廓仪对基体表面的物相组成和粗糙度进行了分析，利用光学显微镜对涂层/基体界面结合进行了分析，利用单颗粒撞击有限元模型对颗粒与不同表面粗糙度基体的结合情况进行了分析。研究结果表明，打磨处理的基体由于表面生成氧化钛陶瓷相，涂层发生脱落。抛光处理的基体较喷砂处理的基体有更低的表面粗糙度，其涂层/基体界面结合更紧密。数值模拟表明，基体表面的起伏特征在颗粒/基体界面处促成温度和应变的不均匀分布，阻碍颗粒与基体间的紧密结合。

海洋是丰富的资源宝库, 对海洋资源的开发和利用尤为重要。水空跨介质探测、通信、水下目标确定等技术一直是相关工作者关注的热点, 同时也是技术难题。声波作为一种机械波, 是水中良好的传播载体, 因此通过提取水下声波信息进行水空跨介质探测及通信不失为一种好方法, 但目前仍缺少完整的水下声信号传播模型及试验基础。本文提出一种基于有限元方法的水下声信号产生水面波纹振动的仿真模型, 并运用激光多普勒测振技术对水面波纹进行检测, 通过试验与仿真两种方式均能在水面以上精准得到水下声波信息。在相同水下声信号参数的条件下, 试验与仿真得到的水面波纹振幅大小一致, 验证了激光多普勒测振技术用于获取水下声波信息的可行性及所建立仿真模型的正确性, 为实现水空跨介质探测及通信的突破提供了试验基础及理论依据。

借助ABAQUS软件建立了微尺度激光冲击强化(micro-scale laser shock peening, μLSP)过程的有限元模型, 对T2纯铜的μLSP过程进行了数值模拟, 分析了μLSP过程中纯铜的位移、塑性应变和等效应力的动态响应情况以及残余应力的分布规律。结果表明, 冲击波作用到纯铜表面后, 极短时间内便可达到纯铜的动态屈服极限。纯铜表面的位移影响区域直径约为激光光斑的2倍, 并在27 ns时达到位移最大值约0.85 μm。随着冲击波压力的加载, 纯铜产生加工硬化, 塑性应变和等效应力的最大值均出现在加载区域内部的近表层处, 分别约为0.062 MPa和297 MPa。μLSP后纯铜表面激光辐照区域主要表现为残余压应力, 最大值约为199 MPa, 影响深度达40 μm。在激光辐照区域表面边缘存在一定的残余拉应力, 产生“残余应力洞”。同时, μLSP工艺试验结果与数值模拟结果基本一致, 从而验证有限元模型的合理性与可靠性。

脉冲激光清洗绝缘子表面污秽时, 作用机制主要有振动和烧蚀两种机制, 但不同激光参数下实际的作用机制会有所差异。通过COMSOL建立热-应力耦合有限元模型模拟温度场和应力场, 探究脉冲激光扫描一个周期脉冲功率不同时的振动和烧蚀机制及其清洗效果, 并通过激光清洗试验, 验证仿真结果的可行性。仿真结果表明, 振动与烧蚀机制共同作用的污秽去除阈值约为123 W, 振动量与烧蚀量都随着脉冲功率的增大而增大, 在150 W时清洗深度为污秽厚度的40%, 在200 W时清洗深度达到污秽厚度的92%; 在250 W时清洗机制达到临界状态, 清洗深度达到污秽厚度的100%; 大于250 W后为烧蚀机制主导, 以300 W为例, 绝缘子有明显损坏。试验结果表明, 在设备功率为200 W时, 脉冲激光对绝缘子表面污秽有明显的去除效果, 表面污秽向外喷溅, 并伴随明显烧蚀现象; 绝缘子基底只有少量污秽残留, 未见损伤。