在激光加工等领域常利用光纤激光的聚焦以获得高功率密度的光斑。为了分析阶跃光纤混合模的聚焦特性，基于广义惠更斯-菲涅耳衍射公式，数值计算了阶跃光纤中基模（LP₀₁）与高阶线偏振模在非相干叠加和相干叠加两种情况下的聚焦光强分布。仿真分析了混合模相对于单一LP₀₁模式的聚焦特性，研究了其聚焦光斑的平均功率密度、焦点偏移随模式占比、模式间相位差的变化规律。研究表明：当混合模非相干叠加时，随着基模占比的增加，聚焦光斑功率密度随之增加且焦点偏移减小；当混合模相干叠加时，基模占比及模间相位差都会影响聚焦效果，可以通过合理控制基模占比和模间相位差，达到聚焦光斑功率密度高于基模的聚焦光斑功率密度、减小混合模焦点偏移的目的。

将遥感技术应用到测绘当中是现代地质测绘技术的发展趋势, 随着光学载荷分辨率的不断提高, 遥感测绘已经成为社会发展和国民经济发展的重要保障。光学载荷决定了测绘空间遥感器的分辨率、测绘精度、卫星平台体积与重量, 是遥感器的核心部分。本文对高成像质量透射光学系统、同轴三反光学系统、离轴三反系统等常用的空间遥感测绘光学系统的结构形式和光学性能分别进行了介绍, 并对处于研发阶段的新型空间反射光学系统的结构形式和光学性能进行了展望。分析认为, 根据不同的应用环境和技术指标, 合理选用不同种类的遥感测绘光学系统, 可以最大程度利用平台资源, 满足遥感测绘需求。

星敏感器测量精确、漂移小，在当代航天器中得到广泛采用；高质量的星敏感器同时具备高灵敏、宽谱段、小体积、轻重量等优点。为了提高星敏感器的性能指标，需要星敏感器光学系统具有更大的相对口径、更宽的谱段范围和更好的成像质量。衍射光学元件具有特殊的色散和光焦度特性，可以更好地校正光学系统的色差、简化结构和提高成像质量。设计的星敏感器折衍混合光学系统相对口径达到1/1，具有450~900 nm的超宽谱段和小于0.03%的相对畸变。光学系统加工、装调后，对成像质量和畸变进行实测，光学系统最低实验室静态传递函数为0.302（奈奎斯特），最大相对畸变为-0.021%，成像弥散圆直径在14 μm内。光学系统各视场成像质量一致性较好，满足各项技术指标要求。

遥感测绘应用要求光学系统焦距长、幅宽大、畸变低、体积小，并且可以实现与卫星平台的一体化设计。经过结构优选，采用改进型同轴三反结构，同时实现了长焦距、大幅宽和低畸变。由于二次遮拦和大视场的影响，一般的非球面优化设计成像质量不能满足要求。自由曲面的加入有效地增加了光学系统优化的自由度，经过优化设计后，光学系统设计传递函数大于0.418（72 lp/mm），最大相对畸变小于0.00145%，光学系统成像质量明显提高。利用计算全息（CGH）技术实现了自由曲面的检测与精磨加工，设计残余波像差均方根(RMS)值为0.007λ，峰谷(PV)值为0.027λ，满足自由曲面的面形公差要求。加工、装调后实测光学系统的实验室静态传递函数，弧矢方向最低静态传递函数为0.225（72 lp/mm），满足系统技术指标要求。

星敏感器一般由光学系统和光电传感器两部分组成，其中光学系统是最主要的组成部分。星敏感器光学系统的技术指标与成像质量要求较高，并且其体积与重量需严格限制，设计难度较大。在满足体积要求的前提下选择最佳系统结构，合理分配光焦度以减小系统的高级像差与畸变，同时使系统为远心光路；采用特殊色散玻璃校正系统较宽波段范围的色差，并加入非球面以提高系统成像质量。结果表明光学系统各视场实测调制传递函数大于0.344（奈奎斯特频率处），实验室静态传递函数大于0.2（奈奎斯特频率处），成像弥散斑80%的能量集中在直径为23 μm区域内，相对畸变小于0.1%，满足技术指标与成像质量要求。

在离轴三反射系统热光学理论分析的基础上，利用热光学实验测试了光学系统在不同热环境下的成像质量。将实测温度代入有限元模型，计算表征镜面变形的Zernike系数。将Zernike系数输入光学设计软件，复算光学系统的理论成像质量，并与测试结果进行对比分析。结果显示，理论复算值与实验实测值相吻合，证明了理论分析的正确性。试验检测表明，系统在Nquist频率下，18 ℃时的静态传递函数为0247；14~21 ℃时的静态传递函数为0221~0254，满足系统成像质量要求。

考虑空间环境中温度是光学系统成像质量的主要影响源，针对离轴三反射光学系统提出了一套由有限元分析到光学分析的热光学分析方法。在有效分析均匀温度场对系统影响的基础上，采用有限元分析得到温差影响下的镜面面形畸变，并用Zernike多项式拟合畸变面形；将Zernike系数代入光学设计软件CODE V，理论分析了温差影响下的光学系统成像质量，提出了光学系统温控指标。以温控指标为依据对光学系统采用主动热控进行热光学试验，所得试验结果均达到56 lp/mm下光学系统全视场MTF值>0.2的光学参数要求，实验结果证明了理论分析的准确性和温控指标的合理性。

针对离轴三反光学系统检测和装调的复杂性,提出了一套结合了干涉测量技术的计算机辅助装调方法。采用多视场ZYGO干涉仪自准干涉检验各种失调量产生的残余像差，得到表征系统失调量引起残余像差的一系列Zernike系数,利用Zernike系数与Seidel像差系数之间的相关性将之转化为几何像差作为校正对象。由光学设计软件求得与系统失调量相关的灵敏度矩阵，并确定对残余像差影响最敏感的失调量。当失调量被确定后,将调整后的结果再次代入光学设计软件进行验证。多次迭代后，得到系统的RMS值<0.04λ的良好结果，证明了这种指导装调的方法是行之有效的。

为了克服空间环境剧烈的温度变化,利用有限元模型分析计算了星载三线阵相机在不同温度状态下的镜面面型畸变与筒长变化,并用输出的泽尼克(Zernike)系数表示畸变,将得到的Zernike系数与筒长变化量拟合入CODE V光学设计软件,进一步分析了光学系统在不同温度状态下的调制传递函数(MTF)曲线的下降;结合目标光学参数提出2 ℃温控指标。针对轴向温差温控指标的各种温度水平制订实验工况,对星载三线阵相机分工况进行热光学实验,测得的实验室静态传递函数都达到或接近目标值0.2,将测得的MTF值和理论分析结果相比较,验证了温控指标与温控手段的合理性。

为了使激光扩束器可以长时间的工作于大功率激光照射情况下,在传统多波长激光扩束器的基础上,利用变更材料和结构的方法进行改进,设计了2.3倍和6倍两级扩束的激光扩束器,用光学设计软件分析其像质并进行优化,对像质进行理论分析;加工成型后,置于实际环境中进行实验。经实验验证,在调Q脉冲激光器的峰值功率高达20MW的大功率激光照射下,在系统后1m位置出射光束直径分别为24.5mm和154.8mm,脉冲间隔可以在5s以上,并很好地保持了高斯光束的固有特性。结果表明,扩束器完全达到设计要求,有良好的使用效果。