高能激光系统的主要工作方式是利用其精跟踪模块将发射激光传输聚焦至闭环跟踪条件下的目标上, 使之受到毁伤或失效。为实现该工作方式, 本文研究设计了一套共孔径光学收发装置。该装置的发射系统主要由离轴两反式主望远镜模块、伽利略透射式调焦望远镜模块和光束馈送模块共同组成二级扩束系统, 接收系统主要由离轴两反式主望远镜模块、精跟踪成像模块和光束馈送模块共同组成长焦距光学系统, 其中光束馈送模块由二向色镜、快速反射镜等光学元件组成。以非相干空间合束的基模高斯光作为激光光源, 利用光学设计软件对该装置进行了优化设计。对于发射系统, 获得了激光经过调焦望远镜模块不同的调焦量调制后, 传输至0.5~5 km处的光斑分布情况, 且激光波前像差RMS值均优于λ/20; 对于接收系统, 由各模块一同构成的成像光学系统的性能经优化后接近衍射极限, 其中系统传递函数在70 lp/mm时大于0.6, 最后通过样机实验也验证了设计的正确性。本文的设计和实验结果证实了该共孔径光学收发装置结构合理, 性能可靠, 满足高能激光系统的工程应用需求。

阐述了激光电离空气成像的理论及其可行性,描述了激光电离空气成像方式与装置,提出了激光电离空气成像可触控的理论方法和方式,认为只有用低功率飞秒激光电离空气成像,才能让人触碰;并提出基于检测激光回波相关参数,检测图像是否被触碰的检测方式,以及基于三角定位法向成像位置发射触碰检测信号的检测方式;提出带有触感的、可应用于实践的空间可触控成像的方式,即全息投影成像、雾屏成像与激光电离空气成像相结合,前两者用来形成基本图像,后者用来形成按钮图像并用于触控,并在触碰时有触感。

随着光纤耦合激光器的应用需求不断增大,对光纤与激光器的耦合效率要求也随之增大。不同波长激光的聚焦点位置存在差异, 激光聚焦点位置是影响耦合效率的重要因素之一,对激光聚焦点的精准定位具有一定的实用性。设计一个聚焦组合透镜组聚焦激光器光束,采用CCD相机采集激光聚焦点焦前、 焦后位置图像,通过MATLAB软件处理采集的图像,圆拟合光斑并计算光斑直径,直径最小位置即是聚焦点位置。结果表明,不同波长激光聚焦点位置不同且焦距相对误差分别 为0.59%和0.73%,测量的焦点位置和大小均可精确到0.001 mm。该方法设计简单,具有自动性和精确性,对不可见激光聚焦位置的判断更显优越。

基于光学设计软件ZEMAX, 通过Monte Carlo光线追迹法, 对比研究了采用三种设计方式的二次反射聚焦系统在不同类型角度偏差下的聚焦性能参数的变化。结果表明：任何微小的角度偏差都会导致聚焦性能急剧下降和聚焦位置大幅偏离。聚焦系统存在角度偏差时, 不同设计方式的聚焦系统会形成不同形状的点火区域, 这将导致激光推力器产生完全不同的飞行的轨迹和姿态。

为了快速准确测量磷酸二氢钾(KDP)晶体坯片的体缺陷, 提出了高速激光聚焦线扫描散射成像方法, 并建立了相应的测量系统。研究了该系统的测量原理和图像采集、图像处理和体缺陷信息提取方法。基于激光散射技术, 结合高速运动装置对晶体坯片内部进行三维扫描, 用线阵CCD探测器接收气泡、包裹物等体缺陷产生的散射光。然后利用折射率匹配液消除粗糙表面带来的不利影响。最后结合数字图像处理技术, 对采集的图像进行实时处理。通过去除背景后与设定阈值比较得到具有体缺陷特征的图像, 再对其进行二值化处理, 提取得到体缺陷的位置和尺寸信息。利用该检测装置对KDP晶体坯片体缺陷进行了测量, 结果显示其检测分辨率优于40 μm, 能够为晶体坯片的精确切割和最大程度的利用提供依据, 从而节省了大量成本。

提出了利用一种可实现一个移动和两个转动的小型3自由度(3-DOF)并联机构来支撑并控制次镜, 以达到激光精确聚焦目的的方案。通过对小型3-PRS机构的运动模式分析, 采用欧拉角描述动平台的运动方式, 对其运动学特性做了简要分析。引入该机构连接杆的质量分布因子, 利用虚功原理建立了逆动力学模型。基于建立的动力学模型, 提出了两种控制策略方案。利用ADAMS/Control模块和MATLAB/Simulink模块联合仿真了该机构的控制精度。最后将该机构应用于实际光路系统中, 测量了两种控制方案下该机构控制的调焦次镜对聚焦光斑性能的影响。仿真结果充分证明了该机构完全满足支撑激光聚焦次镜结构的设计要求。

提出了利用一种可实现一个移动和两个转动的小型3自由度(3-DOF)并联机构来控制支撑激光聚焦次镜的方案。采用传统的欧拉角描述动平台运动方式，建立了小型3-PRS机构的运动学模型，分析了机构的正、逆运动学性能，进行了包括约束雅克比矩阵的建立和伴生运动的求解。基于运动学分析，定性分析了机构的奇异位形。联合ADAMS与MATLAB，计算了机构的可达工作空间，动平台绕x轴最大运动角度为±15.167 1°；绕y轴最大运动角度为±13.319 4°；沿z轴方向的移动大约为9.954 1 mm，分析证明该小型3-PRS机构完全满足支撑激光聚焦次镜结构的设计要求。

为进行快点火实验，需对高能拍瓦激光聚焦系统中的核心元件即大口径离轴抛物面，进行深入量化研究，以便对其结构选型和精密调整提供准确的理论依据。利用基于严格的矢量衍射理论的数值计算方法，并结合像差分析得到了大孔径、大离轴量的抛物面镜(OAP)的物理光学成像特性。首先用理想平行光入射，得出OAP的三维平动公差与其焦深密切相关，OAP绕旋转对称轴的转动可归结为平动问题，其公差与焦深也有简单关系；入射光轴失准时，像散占主导作用，并可由一结构因子来定性描述其对像斑的影响。其次当入射光有一定的发散角时，除引起最佳像面位置变化外，还会由于OAP不对称性而引起的彗差使得像斑的峰值光强大大降低，并论述了OAP的结构参数对此的影响。

对激光修复LCD板ITO膜的过程及影响因素进行了理论分析和计算.设计并加工出一套激光聚焦系统,由一个用于扩束和压缩发散角的倒置开普勒望远镜和聚焦透镜组成,其聚焦光斑为15μm.优化了调Q基模Nd:YAG激光器的参数,并用其进行了实验研究.结果表明,能修复各种不同厚度的ITO膜,打的孔小于20μm,位置漂移量小于3μm.

提出一种基于波长分区物镜结构的双波长单光束双光子三维存储系统的写入方法；给出了相应的双光子记 录强度空间分布模型；对该模型进行了数值仿真研究。仿真结果表明,采用本文提出的双波长单光束写入方法,可 以有效提高双光子光存储的层间分辨率。