激光光束整形技术在现代激光工业领域具有重要作用，为了克服传统激光光束整形自由曲面构造中存在法向矢量偏差的局限性，文中提出一种正交双向迭代的自由曲面设计方法。该方法基于能量守恒和斯涅尔定律建立光源与目标面的能量映射关系，通过正交方向坐标点迭代获得自由曲面数据点，同时利用相邻坐标点的均值进行曲面法向矢量修正，从而提高自由曲面的构造精度。设计实例表明，准直入射的激光光束经自由曲面整形反射镜，在特定目标区域内可形成高均匀度光斑。进一步从自由曲面的连续性、拟合精度与面形误差三个方面，与传统设计方法进行了详细对比分析。结果表明，所提设计方法得到的激光光束整形自由曲面连续性与平滑度更好，拟合精度更高；且在加工误差允许范围内，目标面的辐照度均匀性更稳定。

现有大部分紫外光学镜头的工作带宽较窄，紫外镜头的材料相对较少，镜头的紫外色差校正困难，导致其应用适应性降低。采用负正透镜交叠分布与类双高斯对称式结构形式，并利用熔石英材料和氟化钙材料本身的宽光谱透过性，设计了一种兼具大相对孔径、宽视场和高分辨率的紫外宽光谱光学系统。该系统的工作波长范围为240 nm～360 nm，紫外工作带宽高达120 nm，所有透镜均采用球面透镜，便于加工和检测。在全视场范围内，以中心波长300 nm为参考波长，系统横向色差最大值不超过1个像素，在截止频率50 lp·mm⁻¹处的调制传递函数值优于0.4，并且各个视场的像点弥散斑半径均方根值均优于10 μm。设计结果表明：该紫外宽光谱光学系统的成像性能优良，分辨率高，色差小，满足设计要求。

为了克服现有大部分望远光学系统在机载或星载遥测系统等特殊应用中存在的局限性，基于多优化自由度的光学自由曲面，设计了一个兼容物理结构紧凑、大相对孔径与宽视场的离轴两反自由曲面望远光学系统.该自由曲面望远光学系统具有1/3.75大相对孔径，焦距为300 mm，全视场角为2.8°，整体结构尺寸不超过100 mm×200 mm×300 mm.采用孔径离轴的方式，提高系统的集光能量.利用分视场拓展优化，提升各个视场的成像性能.结合XY多项式自由曲面的多优化自由度，仅用前4阶项，有效地平衡了系统的离轴像差.在探测器空间截止频率50 lp/mm处，系统的调制传递函数优于0.4.各个视场的像点半径均方根值均优于探测器单个像素10 μm.设计结果表明，系统整体成像性能优良，同时具有结构紧凑与小型化优势，可用于机载或空间望远光学系统等特定应用的目标遥测中.