针对相机式光束质量分析仪测量光束的结果不一致问题，分析了相关参数对测量误差的影响。基于高斯光束模型，并添加与实际对应的噪声，根据ISO 11146标准计算了光斑直径。结合实验测试时的实际操作过程，提炼出光强饱和度、积分面积比、信噪比和光斑尺寸4个关键参数。不仅阐明了相机参数对测量误差影响的关键趋势，还分析了各个参数之间的关联影响，最终对如何选择相机的像元、像素、动态范围、暗噪声，以及如何设置积分时间、计算区域等提出了更明确的要求。

通过理论分析和数值模拟研究了高斯光束发生小尺度自聚焦(SSSF)的临界功率。发现高斯光束小尺度自聚焦的临界功率与初始调制幅度有关。初始调制幅度越大, 高斯光束分裂成丝所需的功率越小; 初始调制幅度越小则要求功率越大。当高斯光束输入功率低于高斯光束小尺度自聚焦临界功率, 但高于整体自聚焦临界功率时, 在非线性介质中传输时将以全光束塌陷的形态聚焦为一点; 当高斯光束的初始输入功率高于高斯光束小尺度自聚焦临界功率时, 在非线性介质中传输的高斯光束将分裂形成多根高强度的细丝。在高斯光束非线性传输过程中, 整体自聚焦和小尺度自聚焦效应之间存在相互竞争, 竞争的结果由高斯光束的初始参数决定。

为了有效地提高星地激光通信系统的通信性能，从推广的惠更斯-菲涅耳衍射原理出发，系统研究了矢量多高斯-谢尔模型光束在上行链路中的传输特性。研究结果表明，改变光束的横向相干长度能有效地改变其远场光强分布和大气湍流引起的光束展宽。另外，大气湍流会改变矢量多高斯光束的偏振度，但是在远场其偏振度会趋于一个固定值。该研究结果对星地激光通信等有着潜在的应用价值。

设计并制作了一套基于迈克耳孙结构的光学装置，可用于利用干涉的方法对单层的透明或半透明薄膜或光学平片的厚度做在线检测，测量范围可从微米到毫米量级。该装置采用光胶工艺将不同长度和不同热特性的玻璃材料组合在一起，使装置能够对环境温度变化做自动补偿；同时，输入和输出光信号的光纤准直器与装置为一个整体，因此在检测过程中不像普通干涉系统一样易受外界干扰。使用Agilent波长测试仪对装置产生的干涉信号做检测，在振动的环境中，测量自由光谱范围（FSR）变化的95%置信区间为±0.0005 nm，体现了很好的抗干扰能力。为了演示该装置用作自动实时在线检测的可行性，检测了厚度为(177.4±0.7) mm 的标准盖玻片，其结果与现有商用系统可比较。

激光带宽有利于抑制光束的小尺度自聚焦效应，从而突破非线性效应的限制提高高能固体激光器的输出功率。研究表明，带宽抑制小尺度自聚焦效应的程度与带宽和脉宽之比密切相关，相同脉宽条件下带宽越大对空间小尺度自聚焦的抑制作用越明显，而带宽一定时随着脉冲宽度的增大，带宽的抑制作用则逐渐变弱。在实际的钕玻璃激光放大系统中，由有限的增益带宽以及增益窄化等因素所限制的带宽量，决定了在这类固体激光系统中需要脉冲宽度短至皮秒量级才能有效利用激光带宽抑制小尺度自聚焦效应，而对于长至数十皮秒，甚至纳秒量级的长脉冲而言，如此有限的带宽量对小尺度自聚焦的抑制几乎不起作用。

实验研究了飞秒激光干涉条纹在CS2介质中传输的增长率与条纹间隔以及增长率与中心峰值强度的关系。结果发现, 在非线性介质中传输的1维干涉调制特别是当其调制频率位于中心光强对应的最快增长频率附近时, 随着传输距离的增加调制场迅速获得增长, 将高斯光束分裂成多根峰值强度很高的带状细丝。相应的数值模拟与实验结果具有较好的一致性。

为避免时域调制增长形成的高强度时间尖峰对光学元件的损坏,数值研究了啁啾堆积脉冲宽带激光非线性传输的时域调制增长规律。结果表明:对于正常色散介质, 子脉冲间干涉引入的时间调制与外加调制随着传输距离的增加, 不断振荡减弱; 相反, 对于反常色散介质, 无外加时间噪声时, 堆积子脉冲间的相互干涉引入的时间调制有微弱增长, 但当传输距离进一步增加时, 子脉冲间干涉引入的调制可以获得快速增长; 而当外加非线性最快增长时间调制时, 时间调制发生迅速增长,具有破坏威胁的时间尖峰易于形成。

基于Drude模型, 采用解析法与数值模拟法研究了具有电与磁非线性效应超常介质中光束的聚焦特性。结果表明超常材料中光束聚焦现象不但可以发生在自聚焦非线性介质中(正折射区)而且可以发生在自散焦非线性介质中(负折射区), 且光束中心频率离介质的等离子频率越近, 其聚焦效应越明显。特别是当电与磁非线性极化率为异号时, 超常介质的非线性符号可以通过调控电与磁等离子频率的相对大小控制, 这为主动操控光束的传输提供一种新的自由度。