近些年,混沌半导体激光器由于在保密光通信、高速随机数生成和激光混沌雷达等领域的巨大潜在应用引起了广泛的关注。随着研究的深入,混沌激光信号固有缺陷如频谱不平坦以及有效带宽受限等,制约着混沌在高速随机数的产生、混沌安全通信以及激光混沌雷达等方面的应用。此外,混沌激光信号具有的外腔谐振特性,暗含周期性,一方面会泄露反馈时延增大系统被破译风险,从而降低混沌光保密通信的安全性;另一方面还会恶化混沌激光产生随机码的随机性和可靠性。而时间透镜作为一种实现波形时频转换的结构,可以在一定程度上扰乱混沌信号的时频谱,从而实现混沌信号的带宽增强。这种时频扰乱也给时间透镜用于混沌保密通信技术研究提供了可能性。本文以光学时间透镜为切入点,从麦克斯韦方程组出发,基于时空二元性理论,类比光学空间透镜,确定了时间透镜的两种等效模型。通过VPI软件搭建了光学时间透镜仿真系统,验证了时间透镜的混沌扩频特性。进一步研究了时间透镜的各参数对混沌带宽增强和时延标签(time delay signature,TDS)隐藏的影响,结果表明基于非标准时间透镜的扩频系统可以极大增强信号带宽以及实现TDS的完全隐藏。在混沌扩频技术的基础上,本文研究了基于非标准时间透镜的扩频模块在混沌保密通信方面的应用。由于扩频模块本身的作用可逆性,使得扩频后的混沌信号也能够通过频谱压缩从而有效地还原回到扩频前的混沌信号,这为在混沌保密通信中的应用提供了可能性。对于搭建的混沌保密通信系统,文中分别从系统的同步性、通信性能和安全性三个方面进行了研究,优化了混沌安全通信系统参数。通过对比传统的混沌保密通信方案,验证了本文提出的混沌保密通信方案可以抵御典型的几种攻击方式,提高了混沌通信系统的安全性。