以光学内补偿技术为研究对象，分析了内补偿光学系统中平行光束与柱面镜阵列的相对位置对出射光束的影响，论述了光学内补偿系统纵横摇补偿机构之间的耦合关系。结果表明光学内补偿系统的纵横摇补偿之间相互解耦。在此基础上推导了摇摆台状态下内补偿系统出射光束的稳定补偿机理，为光束稳定控制提供理论依据。

基于惠更斯-菲涅耳衍射理论进行数值计算,发现柱面望远镜整形系统的柱面镜旋转失调不仅会导致平行光束远场焦斑旋转倾斜,还会导致其在倾斜方向上出现拉长、离焦现象,该像差来源于柱面镜旋转导致的像散与离焦的叠加,上述结果说明远场焦斑的离焦也可以出现在旋转失调的柱面镜整形系统中。此外,定量给出包含激光中心波长、整形光束尺寸、柱面镜间距、放大率的归一化相位系数与远场焦斑形态的相关关系,该系数可以用于评判柱面整形系统对柱面镜旋转失调的敏感度。最后搭建了相应的实验装置进行验证,实验结果与计算结果较好地吻合。

针对单晶硅柱面镜加工过程中面临的加工效率低、加工精度差以及表面质量难控等问题,提出采用离子束倾斜入射的方法来进行单晶硅柱面镜的加工工艺优化。通过建立离子束倾斜入射的去除函数理论模型,揭示去除效率同入射角度的关联规律;通过分析离子束倾斜入射的微观形貌作用机理,揭示表面质量同入射角度的关联规律;综合优化去除效率和表面质量,获得倾斜入射的最佳入射角度,并建立基于离子束倾斜入射的新工艺路线。在一块尺寸为100 mm×100 mm的单晶硅凸柱面镜上采用新工艺路线进行加工实验,结果表明:在保证加工精度和表面质量的情况下,加工时间节约53.7%,验证了离子束倾斜入射加工的先进性。

研究了一种在近红外波段具备良好成像能力的双凹面光栅成像光谱仪系统。对这种串联光栅系统中存在的主要像差像散和彗差进行了分析, 并计算获得了该系统的最优成像条件: 两个光栅和柱面透镜的最优摆放位置。这种改进型的Wadsworth系统可以在全波段近似消除彗差和像散, 具备良好的光学成像质量, 并仅通过刻线密度较低的光栅即可实现高光谱分辨率。设计了一个工作于780~1 100 nm波段的成像光谱仪系统, 其光谱采样达到0.92 nm/pixel, 全视场调制传递函数在17 lp/mm的奈奎斯特频率下高于0.45, 系统像差得到充分校正, 且加工和装调公差比较宽松。研究结果分析证明了设计理论的正确性。

基于热弯玻璃的圆锥近似Wolter-I型X射线聚焦望远镜采用在凸柱面镜模具上热弯超薄玻璃的反射镜片制作方式, 柱面镜低频面形误差和中频波纹度是影响望远镜聚焦性能的主要因素, 因此高精度快速检测凹凸柱面镜中低频表面误差是研制中的关键技术。传统的柱面样板法无法检测超薄镜片, 且只能检测对应样板半径的面形, 检测效率低, 无法满足要求。采用基于计算全息的零位补偿干涉检测法和激光扫描两种方法, 对超光滑凸柱面模具和超薄凹柱面镜片进行快速定量检测, 计算了两种检测方法的功率谱密度, 通过表面的斜率误差拟合得到点扩散函数曲线和半功率直径。结果表明: 两种方法都能够快速定量表征中低频表面误差对X射线望远镜角分辨率的影响, 为提高反射镜制作精度和改善X射线望远镜聚焦性能提供了技术支撑。

基于Nd∶GdVO₄晶体研究了自锁模拉盖尔-高斯(LG)涡旋光束。通过不断调节谐振腔内的损耗实现厄米-高斯(HG₀₀和HG₀₂)模式稳定的皮秒自锁模激光输出。模式转换器可将HG₀₂模式转换为LG₀₂模式稳定的皮秒自锁模涡旋脉冲,锁模脉冲频率为1.35 GHz。LG₀₀和LG₀₂模式锁模脉冲的平均输出功率分别为484 mW和371 mW,斜效率分别为30.3%和19.3%。

针对增强型X射线时变与偏振探测卫星(eXTP)项目中嵌套式聚焦成像望远镜对柱面镜片上W/Si多层膜的要求，在掠入射角为0.5°，工作波段为1~30 keV条件下，设计了非周期W/Si多层膜并优化了薄膜制备工艺。首先，利用分隔板和掩模板对溅射粒子进行准直，同时优化了本底真空度和溅射工作气压，提升了薄膜的成膜质量; 然后，通过调整分隔板间距和公转速率提升了在柱面基底上薄膜的沉积均匀性; 最后，利用幂指数算法设计了非周期多层膜， 并在北京同步辐射光源上进行了多能点反射率测试，得到了与理论设计基本吻合的测试结果。基于优化的制备工艺制备了周期数为80，周期为3.8 nm和W膜层厚度占比为0.47的W/Si周期多层膜，其界面粗糙度仅为0.29 nm，柱面镜薄膜厚度误差可控制在3%以内，基本满足了eXTP项目中嵌套式掠入射望远镜镜片用多层膜对于成膜质量、沉积厚度均匀性和能谱响应宽度的需求。