提出发光二极管(LED)多向准直透镜的设计方法，利用多个自由曲面的全反射实现多向准直。基于LED的朗伯型配光展开研究，采用光学透镜配光，运用Matlab软件进行数值计算，得到自由曲面上的多个点坐标值，结合3D软件及TracePro设计出多向准直透镜。所得多向准直光束在同一个平面，该平面与LED发光面平行，各准直光束发散角均仅约3°。

设计了一种可产生长距离近似无衍射光束的新型光学元件凹锥透镜，该透镜是以轴线为中心将传统轴棱锥的底面磨削成凹球面。采用几何光学理论分析了其产生长距离近似无衍射光束的原理。推导了凹锥透镜的振幅透射率函数，并由衍射理论分析和模拟了平面波通过其后的光强分布特性。结果表明，相对于传统轴棱锥，选择合适曲率半径的凹锥透镜能够产生光束发散小、轴向光强分布均匀的长距离近似无衍射光束。以折射率n=1.51509，底角γ=10°，曲率半径R=75 mm的凹锥透镜为例，入射光束半径a=10 mm时可产生最大无衍射距离为Zmax=471.220 mm的近似无衍射光束，相同参数条件下的传统轴棱锥只能产生最大无衍射距离为Zmax=111.235 mm的近似无衍射光束，比较可知无衍射距离增大了359.985 mm。

分析了三种不同频谱宽度的光源(激光、绿光LED和白光LED)产生无衍射贝塞尔(Bessel)光束亮暗环的梯度。分别模拟得到在不同位置的光强截面图, 并计算各亮暗环的光强值, 引入对比度的计算公式, 计算了三种不同频谱宽度的光源产生贝塞尔光束亮暗环的对比度, 可以得到频谱宽度越宽的光源产生的贝塞尔光束亮暗环之间的对比度降低, 亮暗环强度梯度下降, 从而导致囚禁粒子的能力降低。根据三种光源的特性设计了实验装置, 并在与理论模拟相应的位置分别拍摄了三种不同频谱宽度光源产生的无衍射光斑图。对实验中拍摄到的光斑图进行对比度计算, 可以得知频谱宽度越宽的光源产生的无衍射光束, 其截面光斑亮暗环的对比度降低, 亮暗环强度梯度降低, 囚禁粒子能力下降, 理论和实验相吻合。

从衍射理论导出圆顶轴棱锥后的光场分布, 用软件对圆顶轴棱锥后的光强进行仿真, 结果表明, 圆顶轴棱锥可以得到多个局域空心光束。分别改变圆顶轴棱锥的底角和顶端平凸透镜的焦距, 再用软件对圆顶轴棱锥后的光强进行仿真, 所得光强分布表明, 圆顶轴棱锥的底角影响局域空心光束的周期和暗域数量, 而顶端平凸透镜的焦距主要影响局域空心光束中暗域的数量, 对周期几乎没有影响。在实际应用中可通过调节参量得到所需要局域空心光束。

对贝塞尔光束和局域空心光束的轴上相位分布进行分析。用衍射理论分析了理想贝塞尔光束和用轴棱锥产生的贝塞尔光束的光强和相位变化，得知贝塞尔光束在轴上的相位呈周期性的锯齿状分布。由两束理想贝塞尔光束干涉得到的自成像局域空心光束轴上相位分布也呈锯齿状，但在光强为0的位置出现相位奇点。而仿真实验中自成像局域空心光束轴上光强最小位置处由于光强不为0，并没有出现相位奇点。研究结果对于用相位调制法产生暗域光强为0的局域空心光束具有指导意义。

基于部分相干光理论研究了非相干单色LED光源的空间相干特性对无衍射Bessel光束形成的影响。部分相干光经过轴棱锥，光强分布函数中出现了高阶的Bessel函数项，其光强为各阶Bessel函数的线性叠加。数值模拟了部分相干光通过轴棱锥后的光场分布，发现空间相干长度越小，高阶项造成的影响越大，所形成的光束与理想Bessel光束的差异越明显，暗环处光强不再为零，截面光强分布图越模糊。通过一套可调控光束空间相干长度的实验室装置，产生了较为理想的Bessel光束，实验结果与理论模拟相符。

利用光线追迹法分析了会聚透镜焦距及会聚透镜与轴棱锥的距离等相关参数对双轴棱锥产生的长距离近似无衍射光束传播距离的影响，运用Mathcad对其进行了数值模拟。结果显示:在其他条件不变的情况下，近似无衍射光束的传播距离随会聚透镜焦距的增大而减小，随会聚透镜与轴棱锥之间距离的增大而增大。通过实验对理论进行了验证，所得结果与理论分析相吻合。

在实验中用贝塞尔光束与球面波叠加得到多个具有高强度梯度的局域空心光束(BB)。用衍射理论分析了贝塞尔光束与球面波叠加的光场，借助软件对两光场相干叠加的光强分布进行了模拟，结果表明在球面波的焦点附近能够形成多个高强度梯度的BB。实验中贝塞尔光束和球面波分别用轴棱锥和透镜对平行光聚焦获得，使两光场在同一传播轴上相干叠加，在球面波焦点附近观察到多个BB。通过对比可知，贝塞尔光束与球面波叠加所得BB比用两束贝塞尔光束干涉产生的BB在暗域处具有更大的光强梯度，更有利于稳定的粒子囚禁。

提出一种产生尺寸可调局域空心光束的新型光学元件——可拆式组合轴棱锥，这种新型光学元件是在传统轴棱锥的中部沿其轴线方向贯通开设一圆孔，在圆孔内嵌设一第二轴棱锥组成。通过更换不同底角的第二轴棱锥（或第一轴棱锥），可形成不同尺寸的单个局域空心光束或周期性局域空心光束。从几何光学出发分析了产生局域空心光束的原理，计算了局域空心光束的相关参量。由衍射积分理论分析和模拟了新型光学元件的光强分布特性。几何光学和衍射理论所得分析结果基本吻合。

利用热光源获得了近似贝塞尔光束。对多波长光波同时入射轴棱锥的情形进行分析和数值模拟，结果显示轴棱锥后会形成近似贝塞尔光束，但受光场非相干叠加的影响截面光强对比度降低。实验采用卤素灯杯作为产生贝塞尔光束的热光源，针对热光源相干性差的特点设计出一套光学系统，提高光波的空间相干性，再使光波平行透过轴棱锥得到了近似贝塞尔光束。将实验结果与数值计算对比，发现实验所得贝塞尔光束的特性与理论基本吻合，但最大无衍射距离较理论计算所得的短，并对此进行了分析。