针对航空平台气动光学效应影响航空平台激光通信系统性能的问题，研究了航空器在不同飞行速度和海拔条件下，气动光学效应对激光通信系统通信光传输性能的影响。采用大涡模拟方法分别模拟了在不同飞行速度、海拔下激光通信系统周围的气动流场，计算得到流场的密度变化分布，并根据密度数据建立折射率场，采用龙格-库塔方法求解光束传播方程并进行光线追迹，计算并分析了通信光束经过气动流场后的全视场光程差分布和斯特列尔比。仿真计算结果表明：随着飞行速度的增大，流场密度的变化更为剧烈，光程差逐渐增大，斯特列尔比降低；在飞行速度相同的情况下，随着海拔的增加，流场密度波动减小，光程差减小，斯特列尔比有所提升。所研究成果对补偿机载激光通信过程中的气动光学效应产生的影响以及获得更好的通信质量具有一定指导意义。

光学合成孔径是实现高角分辨率成像的一种可行的方法。由于存在多个孔径，振动所产生的孔径面共相误差会影响成像质量。基于现有光学合成孔径成像原理，通过对平移误差和倾斜误差进行耦合建模，设计了一套光学合成孔径结构下的振动对点扩展函数（PSF）的影响模型。提出时间累积斯特列尔比（TISR），相较于传统评价指标，TISR用于分析在时间累积效应下耦合共相误差对PSF的影响。分析结果表明：在振动的持续作用下，PSF成像性能会大幅衰退，时间累积效应下的TISR曲线呈现出明显的周期性波动，最终随着时间的推移而逐渐收敛。

设计了一种基于介电润湿效应的叠加式液体透镜，分析其对含有曲率误差、倾斜误差和活塞误差的畸变波前的校正能力。采用COMSOL软件构建叠加式液体透镜模型，仿真模拟了不同电压组合下液体界面面型的变化情况，获得该叠加式液体透镜内双液体界面的变化范围；采用ZEMAX软件，借助点扩散函数变化，分析该透镜对波前任意点处曲率误差、倾斜误差和活塞误差的校正能力。结果表明：该叠加式液体透镜可以实现同时对不同类型畸变波前的校正，相应的峰谷值(PV)由校正前19.7853?下降到校正后0.18?，均方根值(RMS)由校正前5.6638?减小到校正后0.0355?，斯特列尔比(SR)由校正前的接近0值提高到0.962的较理想状态。

为了校正由活塞、倾斜和离焦而引起的波前误差,设计一种基于介电润湿效应的三液体透镜阵列。根据介电润湿的理论,构建介电润湿三液体透镜阵列模型,仿真模拟液体界面的面型随着电压的变化过程,并分析三液体透镜阵列对活塞误差、离焦误差和倾斜误差的波前补偿能力。仿真结果表明,三液体透镜阵列可以实现对不同类型波前误差的校正和补偿,峰谷值由补偿前的1.838λ减小到补偿后的0.285λ,方均根值由补偿前的0.424λ减小到补偿后的0.053λ,斯特列尔比由补偿前的0.161提高到补偿后的0.917。相关研究结果表明,三液体透镜阵列在无机械波前校正的领域中有着广阔的应用前景。

下一代地基或天基大型望远镜系统多采用拼接式主镜实现。受多个误差源的干扰,拼接式主镜中的子镜面容易偏离设计位置而发生刚性失调,其中,子镜沿着光轴方向的piston误差和绕子镜面内旋转轴的tip/tilt误差尤为突出,对拼接式主镜系统的成像质量产生了严重的影响。从统计的角度出发,解析研究了由piston误差及tip/tilt误差导致的失调非连续波前的统计特性;推导了失调拼接式光学系统的像场质心;基于Maréchal近似,结合失调波前的统计特性,计算了斯特列尔比。研究结果进一步丰富了人们对拼接式成像系统性能的理解。

为了对望远光学系统实现横向超分辨成像, 设计了一种高斯特列尔比的二维多项式函数形式的位相型光瞳滤波器, 分析了其对光学系统焦点附近光强分布的有益影响。理论分析表明, 加入滤波器之后, 与无滤波器时相比系统横向光学分辨率提升了1.33倍, 同时斯特列尔比为无滤波器时的0.75倍。给出了该种滤波器与典型的三区型、四区型和一维多项式位相型光瞳滤波器的对比, 从对比结果可知, 二维多项式型滤波器的斯特列尔比为几种滤波器中的最优, 且其横向分辨倍率仅次于四区型滤波器, 但四区型滤波器的斯特列尔比过低, 不适合应用于望远系统。研究了入射光视场角对应用该种滤波器的望远光学系统成像效果的影响, 视场角不大于±4°时, 具有较佳的超分辨效果。

为了进一步实现傅里叶变换光谱仪的微小型化,在基于多级微反射镜的傅里叶变换光谱仪结构中引入微透镜阵列,利用微透镜阵列对由多级微反射镜调制的各级次的干涉光场单元进行同步收集。光场相位采用空间调制的方式,因此系统的波前像差会导致各级次干涉光场单元的子波前产生不同程度的畸变。建立含有波前像差的光场与多级微反射镜和微透镜阵列相互作用的标量衍射理论模型,计算表明波前像差会导致各级次干涉像点的强度产生不同程度的衰减,同时在复原光谱中引入低频噪声。通过分析发现,干涉像点强度的衰减是各干涉光场单元子波前像差的斯特列尔比调制的结果,且复原光谱中的低频噪声主要源于斯特列尔比的傅里叶谱。根据波前像差对干涉图像的调制特点,提出了一种利用波前像差的斯特列尔比对干涉光强进行修正的方法,计算表明该方法可以使复原光谱的失真得到有效改善。

红外窗口导致的气动光学效应将对高速导弹的红外成像制导产生重要影响, 文中在等离子体射流中对二维尖劈模型中的石英窗口进行加热, 测量了一定射流条件下红外窗口表面温度分布和热流分布; 利用径向剪切干涉技术, 测量了气动加热条件下红外窗口引起的传输光束波面相位的变化, 获得了点扩散函数和斯特列尔比的变化。实验结果表明: 热环境下的红外窗口导致传输光束的远场强度发生衰减, 能量分布发生扩散, 光束的会聚性显著降低。

为了提高衍射远场显微成像的分辨率, 采用一种振幅透过率随半径呈幂函数分布的光瞳滤波器进行了理论分析和数值模拟。通过在光路中加入幂函数分布的振幅型光瞳滤波器, 利用标量衍射理论推导出夫琅禾费衍射分布的计算公式; 通过MATLAB软件给出衍射图样, 对比衍射分布的主瓣宽度。结果表明,当幂次数为3时, 模拟仿真的衍射分布斯特雷尔比为0.16, 最大旁瓣强度比为0.1, 分辨参量为0.76, 分辨率提高倍数为1.3;随着振幅透过率幂次数的增加, 主瓣宽度依次减小; 同时也伴随着主瓣强度降低和旁瓣强度增大的缺点。这一研究对于远场光学显微镜实现超分辨成像是有帮助的。

光束合成是突破单路激光功率限制、获得高功率激光输出的重要手段。以亮度为判据，对不同光束合成方法的合成效果进行理论研究，给出了激光光束合成效果的预评价方法。分析了亮度、光束质量因子和Strehl比3个描述光束质量的重要参量之间的关系，给出了亮度与Strehl比的关系式，据此得出了相干合成系统与光谱合成系统亮度的定标放大公式，并对两种系统的功率与亮度定标放大能力进行了比较。