针对本振光为高斯分布, 接收信号光经望远镜聚焦后为艾里分布的情况, 首先对高斯和艾里函数用数值计算的方式得到两种光斑最大外差效率: 当艾里斑直径和高斯光束束腰直径之比为1.719时, 最大外差效率为81.45%; 然后介绍了光的标量衍射和Zernike像差理论, 分析了夫琅禾费衍射适用于相干聚焦光场的条件, 计算了平面、高斯、艾里光场和Zernike像差的采样要求, 对存在各种像差的光学系统的外差效率进行了仿真, 分析了倾斜、离焦、像散、慧差、球差等基本像差及组合像差对外差效率的影响, 结果表明: 各种像差对外差效率的影响从低到高分别为像散、倾斜、离焦、慧差和球差; 3dB外差效率损失对应相干系统的指标为跟踪误差优于1μrad(RMS), 组合波像差优于0.1λ。研究结果对相干激光通信系统的链路损耗分配和光机系统的工程设计具有指导意义。

液晶空间光调制器(LCSLM)可用于光束偏转，针对一维衍射解析理论分析液晶光束偏转时仅能考虑衍射效率的问题，严格分析二维标量衍射数值方法的采样要求和算法实现，对液晶器件的相位调制级数和非线性进行建模，计算圆形光斑经过液晶器件和聚焦透镜后的光斑空间分布。仿真分析各种条件下液晶器件的衍射效率和偏转精度，得出不同偏转角度时相位调制级数与偏转精度和衍射效率的关系，为液晶器件的选择提供了依据。利用BNS256×256向列液晶构建光束偏转实验，同时也根据实验参数仿真分析不同偏转角度对应的偏转精度和衍射效率，实验结果与仿真基本吻合，表明二维标量衍射分析可用于液晶偏转器件的工程性能评估。

小孔扫描傅里叶叠层成像术已在三维全息重聚焦和超分辨宏观成像领域显示出巨大的潜力。对小孔扫描傅里叶叠层成像技术的关键参量对光场恢复质量的影响进行了研究，根据小孔扫描傅里叶叠层成像的迭代算法，通过仿真实验研究了小孔的交叠率和孔径大小对光场恢复质量的影响。仿真结果表明：在相同孔径情况下，小孔交叠率存在一个阈值，当交叠率大于该阈值时，光场恢复质量随交叠率增大而显著提高；在相同交叠率情况下小孔孔径越小光场恢复质量越高。该研究成果对小孔扫描傅里叶叠层成像术在进一步应用中的参数优化能起到一定程度的理论指导作用。

介绍了100 km量子纠缠分发实验中的捕获跟踪瞄准(ATP)技术。以Alice接收端的700 mm望远镜为例分析了ATP系统的技术指标、光路布局和高带宽跟踪精度的实现方法。为了抑制近地面水平大气湍流引起的量子信息传输光束和信标光束的到达角起伏， 在经典复合轴跟踪模式的基础上，设计了具有粗跟踪、精跟踪和超精跟踪功能的双重复合轴跟踪系统和双快速控制反射镜融合的跟踪算法，用高帧频CMOS探测器和压电快速控制反射镜构建了超精跟踪回路。采用这些方法有效解决了跟踪动态范围和跟踪精度之间的矛盾，更好地发挥了高帧频探测器的性能，提高了抑制带宽和跟踪精度。将该双重复合轴跟踪系统成功应用于100 km量子纠缠分发实验，结果显示捕获跟踪系统的跟踪精度为4 μrad，抑制带宽达到了70 Hz。

提出了改进的抑制光束抖动的快速反射镜控制算法，用于提高卫星平台捕获跟瞄(ATP)系统的瞄准精度。根据自适应前馈控制和经典PID控制算法的特点，分析了两种算法复合控制的优势。探讨了现有直接复合控制算法中自适应算法不收敛的原因，并依据解耦理论引入了解耦的复合控制算法，解决了现有直接复合算法不收敛的问题。最后，对经典PID控制，自适应前馈控制和解耦复合控制算法进行了实验比较。实验结果表明，在给定实验条件下，解耦复合控制算法的控制精度相对于经典PID反馈算法提高了近10倍；相对于自适应前馈算法提高了约3倍。结果显示，提出的解耦复合控制的算法结合了两种算法的优点，对抑制光束抖动更有效。

为了缓解各种宽带和窄带扰动引起的光束抖动，提高自由空间激光通信卫星平台捕获跟瞄(ATP)系统的瞄准精度，在传统的比例积分微分(PID)反馈算法基础上增加一套误差自适应前馈控制算法构成误差自适应前馈复合控制。误差自适应前馈复合控制结合了PID反馈算法和自适应前馈算法的优点，能更好地抑制卫星终端精跟踪系统承受的扰动，而且具有不需要额外前馈传感器的优点，不增加系统硬件的复杂性和成本。在实验室搭建了快速反射镜实验系统对这种复合控制算法进行了实验，实验结果表明，误差自适应前馈复合控制算法相对于经典PID反馈算法精度提高了约5倍；相对于自适应前馈算法精度提高了约1倍。误差自适应前馈复合控制算法在不增加系统复杂性的同时能进一步缓解光束抖动，提高卫星平台ATP系统精度。