倾斜透镜可以将拉盖尔-高斯光束转换为厄米-高斯光束。因此，推导了基于倾斜透镜的拉盖尔-高斯光束阵列与厄米-高斯光束阵列相互转换的位置映射关系。当倾斜透镜绕任意轴旋转一定角度时，两光束阵列的位置将会关于该轴对称。实验中，利用空间光调制器生成了1×1、2×2、3×3、3×1、1×3的拉盖尔-高斯光束阵列，并用倾斜透镜将其转换为厄米-高斯光束阵列，通过对比两光束阵列的光场分布，验证了上述理论分析结果。实验结果与理论分析完全一致。该工作为拉盖尔-高斯光束阵列的轨道角动量测量提供了更明确的理论指导。

在光束传输系统中，通常存在由于传输介质引起的能量与频率成反比的宽带扰动和平台振动引起的在某个特定频率点的窄带扰动，使得光束发生抖动或漂移，造成光斑能量下降。为了解决光束传输系统中由大幅度、高频率窄带扰动和宽带扰动引起光束抖动，设计了基于高速倾斜反射镜谐振补偿的混合自适应滤波器的光束抖动控制方法。该方法采用最小均方（LMS）自适应滤波器与经典的比例-积分控制器并行工作的控制结构，分别利用LMS自适应滤波器对高频率、大幅度的窄带扰动进行抑制，比例-积分控制器对宽带扰动进行抑制，从而实现了对大幅度、高频率窄带扰动和宽带扰动的同时抑制。实验结果表明，本文提出的系统结构和控制方法能够有效地抑制光束传输系统中的光束抖动。

针对光轴控制系统中广泛使用的压电倾斜镜,分析了其基本工作原理和数学模型,描述了遗传算法在模型中的辨识过程。针对大口径压电倾斜镜,搭建了频率响应测试系统,实现了对压电倾斜镜传递函数的参数辨识。对比辨识传递函数的频率响应与实际测量数据,并对系统中存在的多个谐振点的辨识精度进行分析。实验结果表明,在各个谐振点处,遗传算法获得的传递函数频率响应与实际测量数据具有较高的一致性,利用该算法得到的传递函数能更为准确地分析光轴控制系统的动态特性,有针对性地设计先进的控制算法,从而达到提高光轴控制系统性能的目的。

从拉盖尔-高斯涡旋光束表达式出发，基于瑞利衍射理论，通过研究涡旋光束在大气湍流中传输时的旋转相干函数的变化规律，总结了涡旋光束在大气湍流中传输时各轨道角动量之间的串扰情况，使用了拓扑荷数探测概率描述串扰规律，并推导了拓扑荷数探测概率的解析表达式。研究了涡旋光束通过湍流后的拓扑荷数的分布情况，并将结果与涡旋光束通过大气随机相位屏的数值仿真结果进行了对比，给出了理论与仿真的拓扑荷数的探测概率随湍流强度以及初始涡旋光束拓扑荷数大小的关系图对比，验证了推导的拓扑荷数探测概率解析表达式的正确性。通过该表达式可进一步研究大气湍流与涡旋光束相互作用从而影响涡旋光束轨道角动量散射的本质，为涡旋光束的空间光通信中选择合适的拓扑荷数间隔，以及在不同湍流强度下选择合适束腰大小以减少串扰带来的误码率提供了理论依据。

为提高地面激光瞄准系统对运动目标的瞄准精度, 研究了目标的运动特性, 并对不同提前量算法的计算精度进行分析。从航天器和天体的运动规律出发, 建立一种基于双行根数(TLE)星历表的地平坐标系下的航天器轨道动力学模型, 研究了航天器在地平坐标系下斜距、角度、角速度、角加速度的变化规律; 根据理论轨道数据, 分析了激光瞄准系统的一、二阶瞄准提前量的变化规律; 针对实际非时间连续系统, 分别用后向差分法和中心差分法对提前量进行误差分析。研究结果表明, 目标的角速度、角加速度及急动度等高阶项均对瞄准提前量有直接影响, 中心差分提前量算法更具优势。

在光束稳定系统中, 受到传输介质和平台振动等因素的影响, 通常同时存在能量与频率成反比特性的宽带扰动和平台机械谐振引起的在某个特定频率点出现的窄带扰动。为了解决光束稳定系统中由大幅度、高频率窄带扰动和宽带扰动引起光束抖动的问题, 设计了基于两级高速倾斜镜串联控制的光束稳定系统, 提出了利用前级光束稳定系统校正窄带扰动, 后级光束稳定系统校正宽带扰动的控制算法, 实现了对大幅度高频率窄带扰动和宽带扰动的同时抑制。在相同条件下, 对比了传统的控制方法和两级高速倾斜镜联合校正控制系统的残余误差。仿真和实验表明, 提出的系统结构和控制方法能够有效地抑制光束稳定系统中存在的扰动。

研究了光学系统实时精密自动对准中光束光瞳位置动态变化的测量问题。采用相位相关算法处理基准和实测图像得到光瞳平移量数据，其测量相对误差不超过0.4 pixel；针对实际运用中光瞳图像存在的灰度变化、噪声、旋转和缩放等诸影响因素，对算法进行了理论分析和全面的仿真测试。结果表明该算法能克服光强分布不均和强噪声的影响，得到高精度测量结果；对旋转和缩放进行校正后，测量精度在1 pixel左右。提出并测试了将多帧图像叠加后的图像之和作为基准图像的测量方法，使相位相关信噪比提高了88.6%，稳健性显著提高。

介绍了一种用于探测和校正激光阵列相位噪声的新方法。新方法基于探测光强极值算法（DBPIP)，既能用于平移相位差（Piston)的探测也能用于倾斜相位差(Tilt)的探测。从理论上分析了新方法的原理，并搭建了基于能动分块反射镜的两路激光阵列相干合成实验系统加以验证。结果表明，闭环后平移相位差的均方根（RMS）值可控制在λ/19以内，光束倾斜范围控制在25 μrad（约0.5倍衍射极限角）以内。实验验证了新方法用于探测平移相位差和倾斜相位差的有效性，而且新方法能满足相干合成所要求的控制精度。