光电跟踪仪光轴平行性要求与跟踪瞄准精度、激光测距传感器照射激光光束发散角、激光回波接收系统探测视场有关, 尤其是对于小目标, 还与激光测距作用距离和探测概率有关。从光电跟踪仪激光测距原理和指标要求出发, 分析照射光束能量分布特点, 考虑温度、振动等环境因素和变调焦引起的光轴稳定性误差, 提出了光电跟踪仪光轴平行性要求的计算方法。同时根据工程实践考虑光电传感器原位更换和现场标校的维修性, 建立了光轴平行性误差分配模型, 讨论了各随机误差项、各标校残余误差项的一般控制要求和估计方法, 为光电跟踪仪设计分析、制造工艺、维修性改进提供参考。

马赫-曾德尔干涉仪 (MZI) 具有光学能量利用率高、便于视场展宽等优点, 在光学滤波、鉴频等方面具有广泛的应用。然而, 在实际应用中 MZI 频谱会受到各种因素的影响而导致性能下降。从理论上导出了在考虑入射光发散角 2θ0 和谱宽 Δν 的影响下, MZI 干涉频谱的理论表达式, 并定量分析了其对 MZI 频谱的影响。结果表明: MZI 的光程差 l 越大, 其频谱受 Δν 的影响越显著, l 与入射光波长 λ 比值越大, 其频谱受 θ0 的影响越显著; 当 λ=355 nm, l=3 cm时 (第 1 种情形), Δν=10 GHz 和 θ0=4.5 mrad 将分别使条纹对比度 K 降至 2.8% 和 16.3%； 当 λ=532 nm, l=59 cm 时 (第 2 种情形), Δν=0.5 GHz 和 θ0=1.25 mrad 将分别使 K 降至 3.2% 和 15%。 为减小发散角的影响, 从理论上进一步研究了棱镜式视场展宽技术。结果表明: 若补偿棱镜厚度 d 和折射率 n 满足 d=nl/(n-1), 对应第 1 种情形, θ0=50 mrad 时 K 仍高于 93.1%，θ0=70 mrad 时 K 将降至 33.3%; 在第 2 种情形下, θ0=25 mrad时 K 仍高于94.0%, θ0=35 mrad 时 K 将降至 37.6%。若 d 依据不同 θ0 取不同最优值时，在第 1 种情形下, θ0=70 mrad 时 K 仍高于 92.1%; 而在第 2 种情形下, θ0=35 mrad 时 K 仍高于 94.4%。

植被树高是生物量评估和森林生态监测的重要参数，但是大区域的植被树高数据获取困难.由大光斑星载激光测高系统森林回波可反演大区域植被树高，然而大坡度山区的植被和地面回波混叠严重，难以准确提取波形参数反演植被树高.为此建立森林目标回波的解析模型，推导出从混叠回波中分离植被和地面回波的必要条件，指出导致回波混叠的因素除了目标粗糙度和坡度，还有发射脉冲的发散角.分析了地表粗糙度和地形坡度对植被冠层回波的展宽效应及其对波形分解的影响，通过比较实测GLAS波形和仿真回波波形，验证了压缩光束发散角可降低森林回波对大坡度地形的敏感性.对于卫星轨道高度在500~600 km之间时，激光测高仪光束发散角一般在40~60 μrad，更有利于森林植被树高的反演.所得结论为提高大坡度山地森林树高反演精度，从星载激光测高仪的系统设计角度提供了有意义的参考.

在二极管激光阵列(DLA)光栅-外腔谱合成系统中, 由于DLA存在子单元光束发散角、 “smile”效应的位置偏差及指向性偏差等因素的综合作用, 将导致合成光束的光束质量降低。 综合考虑DLA子单元光束发散角、 “smile”效应等因素对谱合成系统中光束传输特性的影响, 建立了DLA光栅-外腔谱合成系统的光传输模型, 进而对谱合成系统中DLA子单元光束发散角、 “smile”效应的位置偏差及指向性偏差等因素对合成光束的光束质量影响进行了定量分析。 结果表明, DLA光源质量会明显影响合成光束的光束质量: DLA子单元光束发散角和“smile”效应引入的指向性偏差越大, 合成光束的光束质量就越差; “smile”效应引入的位置偏差在合束方向上对合成光束的光束质量没有影响, 而在非合束方向上引入的位置偏差将会明显降低合成光束的光束质量。 在实际工作应用中, 需要采取措施提高DLA光源质量, 以减小对合成光束的光束质量影响。

近红外高光谱分辨率激光雷达(HSRL)分子散射回波信号具有频谱展宽窄、能量弱等特点，相对于紫外和可见光HSRL 研发难度大大增加。光谱滤光器作为HSRL 的关键器件之一，与HSRL 系统的反演精度密切相关。根据光谱滤光器的信号透射率和光谱分离比与HSRL 系统反演精度的关系，通过分析1064 nm HSRL 散射回波的特点，对两种具有代表性的干涉光谱滤光器进行了建模和仿真分析。结果表明，在光束发散角较小时，Fabry-Perot干涉滤光器具有较好的滤光性能，但对面形精度要求较高，不易于加工和装调；视场展宽Michelson 干涉滤光器(FWMI)对光束的发散角不敏感，集光能力强，且对面形精度的要求相对较低，在实际应用中更适合用于近红外HSRL 系统光谱滤光器。

法布里-珀罗(F-P)干涉仪是具有重要科研和实用价值的光学仪器，能广泛应用于光学鉴频、锁频以及光谱超精细结构的测量研究。然而，在实际应用中干涉仪的频谱特性将受到诸多因素的影响。从入射光束发散角、入射光频谱、干涉仪平板吸收损耗、平板表面缺陷和不平行度等因素对F-P干涉仪频谱特性的影响做了深入的研究。在考虑了上述诸多实际因素情况下，理论上导出了F-P干涉仪的透射频谱函数的一般表达式；定量给出了由发散角引起的透射频谱整体平移量；提出了等效发射激光谱宽的概念，将入射光束发散角、入射光频谱、干涉仪平板表面缺陷和不平行度等对透射频谱的展宽效应合并处理，给出了定量的等效关系式。这些结果可为法布里-珀罗干涉仪的设计与应用提供借鉴。

跟瞄误差会引起接收光信号的衰减。为了减小跟瞄误差对星间光通信系统的影响，在跟瞄误差存在的条件下，通过选取最优光束发散角来优化链路可靠性。偏置误差是跟瞄误差的一部分，在没有偏置误差存在的情况下获得了链路可靠性的解析表达式，通过将链路可靠性进行最大化设计，获得了最优光束发散角的解析表达式。将偏置误差也考虑进去再对链路可靠性进行最大化设计，对于给定的通信速率获得了光束发散角与跟瞄误差的最佳比值的数值解及其近似解析表达式。在星间光通信中采用所设计的最优光束发散角，可在存在跟瞄误差的情况下获得良好的系统性能。

为了更准确地研究紫外光的通信性能，针对紫外LED散射光通信中光能量传输特征，以及光束发散角对散射链路构成与接收光子能量有一定影响，采用多个LED组成阵列发射的方法，扩大光束与散射体的作用效应，分析了光束发散角对不同散射体作用时光子能量的变化关系，研究了紫外光散射通信脉冲调制方法与提高发射功率措施，提出了脉冲位置调制驱动阵列LED的解决方案，并进行了紫外LED散射通信系统室外传输测试。结果表明，在短距离通信中，大的散射角使得光对散射体的作用区域增大，散射效应明显，到达光接收端的光子数量增加; 实际通信应用中，散射光通信具有较高的灵活性和实时性，可适当进行光学处理来优化光路结构。此结果为进一步增加传输距离和传输效果提供了正确的指导。

采用聚焦毛细管将通用的极紫外光源引出法兰口之外，并控制光束发散角，以匹配平行光管孔径角。分析计算了直接用光源照亮靶盘的情形，光束不能充满有效主镜面上的直径；设计使用聚焦毛细管，使光束充满平行光管孔径角，并对极紫外平行光管有无毛细管两种状态进行测试。测试结果表明，采用聚焦毛细管后，扩大了光束的发散角，并且无毛细管的最大光子计数接近1×105个，加毛细管后最大光子计数能达到1×104个。测试数据说明极紫外聚焦毛细管的传输效率可以达到10%，能够满足极紫外平行光管的各项技术指标要求。

为了提高光束质量、压缩光束发散角, 利用现有高功率稳定腔TEA CO2激光器进行了非稳谐振腔的技术改造及激光输出试验, 非稳谐振腔采用正分支虚共焦型非稳腔方案。为充分研究谐振腔结构参数及激光振荡模体积对输出能量和光束发散角的影响, 共设计加工了包含4种放大率、5种模体积的20组非稳腔腔镜组合。在其它参数都相同的试验条件下, 进行了非稳腔镜的单脉冲输出对比试验, 得到的最大输出能量为14 J, 是原平凹稳定腔的70％, 而光束发散角只是原平凹稳定腔的1/4。