从手持/便携式角度出发, 采用双光纤光路设计了激光拉曼测试装置中的探头, 并确定关键器件性能、型号及尺寸.利用Zemax软件进行光学模拟仿真, 得到入射光路的工作焦距为13.5 mm, 像方数值孔径为0.23; 收集光路的像面焦距为13.46 mm, 数值孔径为0.235.用SolidWorks软件进行机械设计, TracePro软件进行探头整体光路模拟, 通过计算机数字控制机加工和3D打印两种方式制作得到整体尺寸为50 mm×33.5 mm×17 mm的探头.用设计的拉曼探头对酒精样品进行了测试, 测得酒精拉曼光谱与商用产品测得的结果基本一致, 且在200~300 cm－1波数范围内有更好的信号表现.对K粉及冰毒进行了拉曼光谱测试, 实测数据与理论数据基本一致.实验结果表明拉曼探头的设计达到了预期效果, 并具有良好的性能.

为了研究双光子聚合加工光路系统对聚合效果的影响,使用ZEMAX软件对光路系统的3个主要部分,即扩束镜、扫描振镜和聚焦透镜分别进行了设计,然后将3个部分结合到一起,从整体上模拟了整个光路系统,并且在光路中放置探测器来监控激光光束的变化情况.从模拟结果中可以直观清晰地观察到激光光束的能量分布在光路中的变化情况,主要分析了扩束镜对最终聚焦效果的影响.结果表明,扩束倍数越大,扩束镜越靠近光源,聚焦后焦点处的能量越高.该模拟结果也为实际实验系统的搭建提供了依据.

针对以直径1 000 mm、边缘角60°的碟式镜为一次镜的二次反射系统，讨论了不同形状的二次镜(旋转椭圆面型、旋转双曲面型、平面型及旋转抛物面型)的聚光情况.结果表明：当旋转椭圆面型和旋转双曲面型二次反射系统的焦点落在一次镜顶点处时，对旋转椭圆面型二次反射系统，随数值孔径增加，接收板中心的能流密度先增大后又减小，光斑直径减小；数值孔径为0.4时，能量聚光比最大，约为5000倍.旋转双曲面型二次反射系统的能流密度和光斑直径均随数值孔径的增大而减小；数值孔径为0.5时，能量聚光比最大，约为8 990倍，旋转椭圆面型和旋转双曲面型二次镜均适用于二次反射低焦系统.旋转双曲面型二次反射系统聚光比更高，结构更紧凑.对平面型二次反射系统，随焦点位置的升高，接收板中心的能流密度增大；光斑直径几乎不变；焦点相对位置为0.9时，能量聚光比最大，达到21 000倍；适用于高焦二次反射系统.旋转抛物面型二次反射系统随二次镜位置的上升，接收板中心的能流密度增加；光斑直径减小；最大能量聚光比约80倍，适用于低倍二次反射系统.

通过3D扫描的方法,对椭球反光镜的面形进行了检测,并与标准椭球面形进行最佳拟合对比,以E210反光镜为例。结果表明：3D扫描能够完成椭球反光镜的检测,E210反光镜在底孔部位存在加工过量,在端口部位存在近似“十字形”对称的加工不足的现象,加工误差范围为-0.06 mm ~+0.08 mm,符合轮廓度误差±0.1 mm的要求。3D扫描点云能够进行逆向反求并建立实际反射面模型,进一步模拟反光镜的反射光斑形状、大小等参数,模拟结果与检测结果一致。

光学系统的杂散光极易在系统内形成多个鬼像,严重影响光束质量和传输特性.主要研究了复杂光学系统中折射面的多次反射和衍射面的多级衍射而形成的杂散光及其数学模型与计算方法,提出了一种采用单向链表数据结构进行鬼像分析的更加简洁、高效的实现算法.编制了专门的杂散光分析软件,实例计算表明,采用该软件可以快速地分析含衍射元件的复杂光学系统的杂散光,全面描述鬼像在像面的位置和能量分布,分析结果对在光学系统设计阶段排除鬼像的潜在危害具有重要参考价值.