利用蒙特卡罗数值模拟方法研究了海水散射引起的激光脉冲时延效应,分析了海水类型、传输距离、收发器参数等对激光脉冲时延的影响。数值仿真结果表明,在清澈海域,激光脉冲的时延展宽随传输距离的增加变化不明显,且在传输距离小于50 m时,信道时延小于0.5 ns,收发器参数对信道时延的影响小;而在浑浊海域,信道散射引起的多径效应会使接收功率随接收孔径的增大而升高,信道时延也会随之增大。当接收视场角小于90°时,其对接收功率和时延展宽的影响大;当视场角为90°~180°时,其对接收功率和时延展宽的影响小。

将修正的TTHG(two term Henyey-Greenstein)散射相位函数运用到电子散射理论中，并利用小角度近似条件推导出沙尘天气下激光信号脉冲时延和展宽的表达式。研究了脉冲时延、展宽与沙尘能见度之间的关系，以及散射反照率、散射系数和不对称因子等因素对脉冲时延和展宽的影响；分析了不同波长条件下脉冲时延和展宽随传输距离的变化规律。结果表明，在能见度较低的沙尘天气下，脉冲的时延量和展宽量均随传输距离、反照率和散射系数的增大而增大，随大气能见度的增大而减小。尤其是当大气能见度增加至3.5 km时，脉冲时延和展宽逐渐趋于一个与激光波长有关的稳定值。随着激光信号波长和沙粒不对称因子的增大，脉冲的时延和展宽呈负指数趋势减小。

为了克服大口径激光系统目前面临的困难, 提出使用多束中小口径激光在靶面实现能量叠加的方式。为满足靶面辐照均匀性与对称性的要求, 对多束激光的同步控制精度及脉宽控制精度对叠加光束的影响进行分析。研究表明, 多脉冲辐照的同步性会影响靶面中心辐照的能量分布。当单束脉冲延时大于等于两倍脉宽时, 靶面中心光强峰值将降至75%, 两束脉冲延时大于等于两倍脉宽时, 靶面中心光强峰值将降至50%。当一个光束的脉宽增加到其他参与叠加的光束的两倍时, 靶面中心光强峰值将降至理想叠加情况的87.5%。

针对激光脉冲在沙尘天气中的时延和展宽问题，以光信号在离散介质中的传输理论为依据，求解了脉冲信号在传播过程中的双频互相关函数，推导了沙尘天气下的脉冲响应。通过分析沙尘天气中不同能见度下激光脉冲时延和展宽的变化情况，得到了激光脉冲的时延量和展宽量与沙尘能见度间的关系，并分别研究了波长为3.8、7.6 和10.6 μm 的激光脉冲的时延和展宽与沙尘天气中大气能见度间的关系。结果表明：在波长一定的情况下，激光脉冲的时延量和展宽量随能见度的增加呈负指数形式减小，并逐渐趋于稳定值。同时，在能见度一定的情况下，激光脉冲的时延量和展宽量会随信号波长的增加而增加。

分析了空中目标态势的影响因素以及与激光脉冲回波参数的关系；考虑了目标的距离、速度、进入角和尺寸等因素对脉冲时延和展宽的影响，建立了相应的关系模型，得出了不同因素对脉冲时延和展宽有不同影响程度的主要结论；探讨了激光大气斜程传输过程，提出了一种激光大气斜程透射率计算方法，对一般的激光大气传输能量衰减模型进行了改进，得出激光脉冲能量随距离的增大和目标投影面积的减小而呈现指数衰减规律；搭建了实验系统平台，并对实验采集的回波数据进行了分析；对比了脉冲展宽理论计算结果与实测结果，二者相对误差控制在6%以内，具有很好的符合程度，验证了所建模型的有效性。得出的结论具有为反演空中目标态势信息提供一定参考的价值。

基于Kogelnik耦合波原理和矩阵光学，讨论了调节双层体光栅的穿插层厚度产生飞秒激光双脉冲的方法。推导了飞秒脉冲读出双层体光栅后的衍射场表达式，数值模拟了瞬时衍射光强分布随穿插层厚度变化的关系曲线。数值模拟结果表明当穿插层厚度在4~11 mm区间变化时，衍射脉冲变成双脉冲，且双脉冲间隔与穿插层厚度成正比，利用衍射理论及衍射场表达式对其进行了解释。利用周期性介质群时延讨论了衍射脉冲时延随穿插层厚度的变化，发现脉冲间隔随穿插层厚度变化的斜率是脉冲时延随穿插层厚度变化斜率的绝对值的2倍。