为真实模拟实弹射击场景，降低**射击训练成本，设计了一种基于铒玻璃激光器的激光射击光学系统。该系统采用两级激光扩束，将铒玻璃激光器出射光束发散角二次压缩，实现极小发散角光束出射，提升了激光射击过程的人眼安全性。铒玻璃激光器出射光束发散角为 15mrad，出射光斑直径 0.3mm，激光扩束倍率 300倍，系统出射光束发散角达 0.035 mrad。距光学系统出光口 1km位置，激光光斑直径约为 120mm，可满足千米射击训练要求，突破了常规激光射击系统百米量级的作用距离限制。设计的光学系统总长度为 364 mm，结构简单，利于工程化，应用前景广阔。

在基于保偏光纤的非通视方位传递系统中，针对经保偏光纤传输后出射光束直径太小的问题，可以引入扩束系统进行解决。透镜对偏振传输影响的研究是引入扩束系统的关键，但相关研究主要集中在对入射光不同偏振态单一因素的讨论。因此，以伽利略扩束系统为例，详细分析了透镜中偏振传输的过程，推导了含透镜参数的偏转角公式，仿真了透镜参数对偏转角的影响，最后验证了理论与实验结果的一致性。结果表明：透镜参数对偏振传输的影响使偏振方位角发生偏转，其中曲率半径与偏转角成反比关系；中心厚度与偏转角成线性关系；折射率和光斑半径与偏转角均成平方关系。该研究结果对在基于保偏光纤的非通视方位传递系统中引入扩束系统具有一定的指导意义。

为解决波前传感器检测自由曲面镜片时测量口径不匹配, 在拼接检测方法中测量过程及数据处理较为繁琐等问题, 提出了一种测量自由曲面镜片的方法.该方法在扩大单次测量光束直径后对自由曲面镜片波前像差进行检测, 再由波前传感器接收缩小后的带有扩束测量区域波前信息的光束.设计光路测量得到4个直径扩大10倍后的子孔径波前像差, 完成扩束子孔径的波前重构及拼接.为验证实验的可靠性, 对测得的扩束子孔径进行波前重构后与哈特曼传感器生成的子孔径像差峰谷值进行比较, 并观察扩束子孔径拼接波面的平整性.实验结果表明: 该方法能有效增大小口径波前传感器的测量范围, 提高检测效率, 可以用于大口径镜片的波前像差检测上.

为了实现对激光束的准直变倍扩束, 提出了一种基于液晶空间光调制器(Liquid Crystal Spatial Light Modulator, LC-SLM)实现数字变焦透镜的方法, 并利用这种方法搭建了基于LC-SLM的变焦扩束系统。首先根据透镜相位变换原理和LC-SLM的相位调制特性由计算机编程生成不同焦距的数字透镜相位调制图, 实现不同焦距的数字透镜功能, 通过凸透镜对平行光束的汇聚作用, 验证该功能的有效性, 平均误差为095%。上述结果说明LC-SLM能够实现变焦透镜功能。接下来, 通过与汇聚透镜组合实现对激光束的连续变倍率准直扩束。该系统的扩束倍率为2×~5×, 均方根误差为0539 7 mm, 峰谷值为099 mm。实验结果表明, 本文提出的方法可以实现对激光束不同倍率的扩束且扩束比连续可变。该系统解决了传统变焦系统无法满足多变的激光扩束需求的问题, 且结构简单, 精度高, 在激光扩束应用方面具有广泛应用前景。

在原向反射式激光光幕测速技术中, 针对半导体激光光源产生的激光光束散射角使得出射光幕厚度不一致、原向反射屏产生的反射光幕剩余发散角使反射光幕厚度不一致这两方面导致弹丸穿过光幕不同位置触发光幕响应时间不一致的问题, 根据几何光学原理, 对半导体激光器弧矢与子午方向建立数学模型, 设计了具有不同面型的非球面准直透镜组, 将出射光斑尺寸控制在1 mm之内且子午和弧矢方向发散角分别为0.13 mrad、0.46 mrad。出射光束经过Powell透镜一维扩束后, 形成厚度为1 mm、均匀度达到85.7%的扇形出射光幕, 经过原向反射后, 配合狭缝光阑使反射光幕有效厚度控制在1 mm。使用Zemax软件模拟弹丸过靶仿真, 弹丸不遮挡系统光幕时探测器接收到原向反射光强1.54 mW, 弹丸遮挡系统光幕时探测器接收到原向反射光强为1.03 mW。当弹丸紧贴出射光幕侧面边缘(即1 mm光幕边缘), 分别距离光源100 mm、300 mm、500 mm处的弹丸触发探测器接收到的光强大小均为1.54 mW, 显然, 光强相对于无弹丸遮挡光幕情况下没有产生变化, 证明系统有效可探测光幕厚度一致且为1 mm。该结果表明, 本研究方案具有可行性。

由于激光器发出的光束通常在毫米量级，然而在激光测距、激光通信、激光全息等领域中需要较宽的光束，因此需要对激光束进行准直扩束。本文提供了一种基于LC-SLM的变倍率激光扩束方法，利用LC-SLM产生透镜的波阵面。由计算机数值模拟出焦距不同的变焦透镜相位调制图，将其加载到LC-SLM上，利用焦距不同的变焦透镜相位调制图的灰度信号来控制LC-SLM外加电压变化，实现了基于LC-SLM的变焦透镜功能。根据伽利略望远镜形式的扩束系统，本文利用LC-SLM的变焦透镜功能与匹配透镜配合，搭建了基于LC-SLM的变倍率激光扩束系统，实现对激光束的变倍扩束。实验结果表明，该系统实现了2×~10×连续变倍率激光扩束。系统结构简单、精度高、响应速度快，具有很大的实用价值。

为实现地平式离轴扩束光学系统的高精度装调，利用4D干涉仪加装平面镜头配合标准平面镜实现自准直检测，并针对实际使用过程中镜筒需要绕俯仰轴旋转的问题，提出一种动态检测方法。根据实际装调结果，建立空间直角坐标系，利用旋转过程中光斑最大偏离量计算二轴正交误差。装调结果表明，采用自准直检测及动态检测方法，主镜面形精度为0.028 8λ@632.8 nm，系统波像差RMS为0.131λ@632.8 nm，二轴正交误差为2.06″。

介绍了国内外激光扩束系统的研究现状,阐述了低倍率扩束系统设计原理,选用没有内部焦点的倒置伽利略式望远镜系统结构设计了一个无焦变倍的激光扩束准直系统。在Zemax软件中实现变倍扩束系统初始结构的设计,基于Zemax的REAY优化函数对光学系统中透镜的曲率半径和间距进行优化,实现5~25倍的连续变倍激光扩束。不同倍率下的波像差最大均方根值均小于λ/40,设计结果满足像质要求。经工艺分析,该设计符合加工的工艺要求,系统结构简单,具有实际应用价值。

采用ZEMAX对单点激光测振仪中的扩束聚焦镜进行了分析设计。首先对高斯氦氖激光光源进行了模拟，然后计算了系统的初始结构。分析了前透镜移动距离与激光聚焦距离的关系，获得了不同聚焦距离下的光斑尺寸。最后设计了可调扩束聚焦系统的机械结构。该结构具有调节平滑，前透镜不旋转的特点，减小了由旋转透镜带来的误差。