激光导引星系统(LGSF)是美国30 m望远镜(TMT)的组成部分之一，在满足TMT对科学目标高分辨力成像和光谱探测的性能需求方面，LGSF 具有重要的作用。LGSF 主要负责为窄视场红外自适应光学系统(NFIRAOS)和下一代TMT-AO 系统提供人造钠导星。本文主要讨论LGSF 以下几部分：设计概述，LGSF 星群模式，LGSF 波前误差分配，发射系统设计。

下一代大口径望远镜有两个特点，一是主镜通过拼接而成，且是通过主动光学来控制它们之间的平移、倾斜误差；二是采用自适应光学来校正大气湍流。因此分析拼接误差对拼接镜像质的影响，对下一代望远镜发展有重要意义。通过理论及数值仿真分析了拼接式主镜中平移、倾斜误差以及边缘误差对拼接镜成像质量的影响，通过理论与仿真分析可知拼接镜平移误差与倾斜误差对拼接镜成像质量的影响是相互独立的，边缘误差对拼接镜像质的影响较小。

薄主镜支撑系统分为轴向和侧向支撑两部分，侧向支撑承担主镜垂直于光轴方向的重力分量。介绍了pushpull-shear侧支撑及能动校正原理，并针对一块8 m 口径薄主镜进行了侧支撑设计。设计了5种备选侧支撑方案，并考虑到主镜对面形的能动校正能力，借助有限元计算对它们进行了分析和比较，选出了一种最佳方案作为8 m 薄主镜的侧支撑方案。该侧支撑方案共有64 个侧支撑点，每个侧支撑点仅施加沿主镜切向的支撑力。当主镜竖直放置时，主镜能动校正后的镜面均方根值为19.2 nm，校正力范围为-318.9~301.4 N。相比传统push-pull-shear侧支撑方式，该侧支撑方案结构简单，易于实现，同时支撑效果良好。

在SF6气氛下, 分别利用钛宝石飞秒脉冲激光与掺钕钇铝石榴石纳秒脉冲激光对单晶硅表面进行了微构造和重掺杂, 以用于光伏材料。对制备的单晶硅表面微结构的形貌、结晶性和硫元素杂质含量与分布进行了研究。实验结果表明纳秒脉冲激光制备的单晶硅表面微结构的薄层电阻较小, 缺陷密度较低(结晶性高), 硫元素杂质含量较高且在表面分布的范围较广, 深度较大(约1 μm)。此外, 材料的可见-近红外波段吸收率可接近80%。基于纳秒脉冲激光微构造的单晶硅的优异性能, 在样品表面制备了有效光照面积达8 cm2的太阳能电池。其中, 最佳太阳能电池的串联电阻、开路电压、短路电流密度分别为0.5 Ω, 503 mV, 35 mA/cm2, 转换效率约12%。上述太阳能电池性能还可通过优化制备工艺进一步提高。

综合考虑非线性气温环境和主镜视宁度表面“气刀”强制对流换热，对地基望远镜主镜瞬态温度场理论模型进行研究，结合分离变量法和格林函数法求解出温度场的解析表达式。以4 m主镜为例，运用温度场理论模型解析解，对主镜视宁度进行了分析计算。分析了“气刀”对主镜视宁度的改善效果；讨论了“气刀”风速与主镜视宁度的关系；分析了不同径厚比对主镜视宁度的影响。利用有限元方法分析4 m主镜温度场，与所推导的温度场理论结果进行比较，二者获得了较好的一致性。主镜温度场理论解在望远镜主镜设计中具有普适的应用价值。

光电导天线(PCA)产生太赫兹(THz)辐射受光生载流子输运情况的影响很大。考虑到GaAs材料光电导天线两能谷效应，修正了德鲁德洛伦兹模型，得到了载流子输运情况并与经典扩散漂移模型仿真结果进行了对比。同时采用了时域有限差分方法(FDTD)耦合载流子密度，仿真太赫兹辐射时域波形，并与太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)测量时域波形对比。结果表明，两能谷效应修正的德鲁德洛伦兹模型仿真辐射时域波形与THz-TDS测量波形吻合，14 μm和34 μm小孔径GaAs偶极子光电导天线在波长为800 nm，脉冲半峰全宽为30 fs，脉冲重复频率为75 MHz，平均功率为327 mW的钛宝石飞秒激光器照射条件下，GaAs材料衬底两能谷效应引起的载流子输运变化对THz辐射起关键作用。

为了获取优异的光学图像质量，大口径天文望远镜通常采用主动支撑结构以校正主镜面形误差。对望远镜主镜支撑系统所需的气压驱动器进行了研究。基于气动原理设计了一种采用滚动膜片结构的气压力驱动器，其中滚动膜片结构用于消除摩擦力的影响，滚珠式力解耦器用于消除侧向力、弯矩的影响。进一步设计了针对气压驱动器带死区的比例积分微分(PID)控制算法，以实现对气压驱动器的闭环控制。实验结果表明：气压力驱动器可精确提供主镜控制所需的支撑力，在望远镜高角变化速度达到2°/s时，输出支撑力范围为0~1000 N，驱动器支撑力误差仅为满量程的±0.4%。设计的气压驱动器可实现主动支撑力的快速精确输出，能满足天文望远镜主镜主动支撑需求。