采用一对圆锥镜作为整形器来产生准直平行的空心光束，并根据能量守恒定律得到了整形后空心光束的光强表达式，然后基于菲涅耳衍射积分公式仿真了该空心光束在自由空间不同传播距离处的衍射光斑及截面光强分布图，并计算得到了光束质量因子随截断直径与高斯光束半径的比值和遮拦比变化的关系曲线，为实际获得良好光束质量和整形器的设计提供依据。其次，对该系统进行了锥顶角一致性、偏心及倾斜误差对波面误差的影响分析，结果表明，对于同样大小的误差，设计锥顶角较大时得到的整形光束的波面误差较小，有利于增加加工和装调的容差范围，且装调中的偏心误差和倾斜误差具有一定的等效性，通过调整装调过程中的偏心方向和大小，可以在一定程度上抵消倾斜误差的影响，实现综合误差的互相抵消，为实际应用中的圆锥镜组整形器加工和装调提供有益参考。最后，对整形出的空心光束进行近、远场测量，结果表明实际所得到的光束质量因子符合理论计算结果。

为了探究涡旋空心光束在端面抽运Nd∶YVO4微片激光器中的生成条件及其变化因素, 构建了一种基于轴棱锥-透镜组生成环形抽运光的新方法。采用ZEMAX对抽运光进行了仿真分析, 并基于热效应分析进行了模式匹配计算, 通过实验成功得到了环形抽运光和环形空心激光输出, 并通过实验验证了输出光为1阶涡旋光。结果表明, 该方法能够生成光束大小可控的808nm抽运光, 其光斑半径可随轴棱锥锥顶与透镜焦平面的相对位置快速变化; 并且该抽运光能够使谐振腔长度为300μm的微片激光器输出稳定的1064nm 1阶拉盖尔-高斯涡旋空心光束。此研究结果对于微片激光器输出涡旋空心光束的实际方法的建立具有重要的指导意义。

为进一步完善多级无衍射光束的传输与转换理论, 基于轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析, 采用数值模拟软件对双级无衍射光束的空间光强分布与轴上光强分布进行仿真; 基于锥镜加工工艺对锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布进行研究, 分析了双级无衍射光场的场强大小和影响光场振荡周期的因素。结果表明: 理想双级轴棱锥透镜生成的无衍射光场由4个区域组成, 在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥衍射场的耦合叠加, 其余区域仍保持单级无衍射光场分布特性; 锥镜顶点和一、二级锥镜临界点呈双曲线分布的双级轴棱锥透镜的光场分布受双曲线特征参数影响较大。其特殊的光场分布为多级无衍射光束拓展至大尺寸空间测量以及粒子微操作等提供了新的可能。

首次使用了离散傅里叶方法数值分析局域空心光束。用离散傅里叶方法描述单色平面波产生局域空心光束(bottle beam)的光强分布, 引入色散公式使得一定频谱宽度的LED光源同样适用。讨论抽样要求并对变量进行离散化, 导出LED产生bottle beam的离散化傅里叶公式。最后代入相关参数并用MATLAB进行数值模拟, 得到了在不同距离处光束的强度分布。设计实验进行验证, 实验结果表明: 使用LED也能够产生高质量的bottle beam。数值模拟与实验结果基本吻合, 证明了采用傅里叶方法可以精确地分析非相干光源产生bottle beam, 并且相较于传统的标量衍射理论, 它更加简洁、快速, 是研究bottle beam的一种全新又可靠的方法。

研究了高阶Bessel光束经过柱透镜后的光场分布特性.在广义惠更斯-菲涅尔衍射积分理论基础上, 推导出高阶Bessel光束透过柱透镜后的衍射光场分布表达式; 并利用MATLAB和MATHCAD模拟了不同传播距离处的光强分布.实验上, 利用轴棱锥和螺旋相位板产生不同阶数的高阶Bessel光束, 并使产生的高阶Bessel光束经过柱透镜, 最后用CCD记录下不同距离处的衍射光场.研究结果表明, 高阶Bessel光束经过柱透镜形成唇状的焦散光束.

针对理论上推导轴锥镜的衍射光场分布解析式较为困难，且用菲涅耳衍射理论分析时存在近轴近似及不能适用于近场衍射光场分析的问题，采用了严格遵从标量衍射亥姆霍兹方程的角谱衍射波前重建方法，对轴锥镜在单色和准单色高斯光波照射下的横向和轴向衍射光强分布特性，以及在单色均匀平面光波照射下的轴向衍射光强分布进行了数值计算和分析。结果表明，轴锥镜后单色光衍射光强分布在几何光束重叠的菱形区域内为近似无衍射贝塞尔光强分布，轴上光强沿光轴方向呈振荡变化，轴上光强分布规律与入射光波的垂轴横向光强分布有关；入射光的准单色性使得贝塞尔衍射条纹对比度略下降、轴上光强沿光轴方向振荡程度减小，但分布规律与单色光一致。

利用几何光学的光线追迹法形象地描述了轴棱锥透镜系统产生局域空心光束过程。分析了局域空心光束传输过程中的光强分布;同时利用光线追迹法分析了透镜焦距对局域空心光束尺寸大小的影响。结果表明,局域空心光束的尺寸随着透镜焦距的增大而增大。实验中利用轴棱锥透镜系统产生局域空心光束,并对不同位置的光斑进行了拍摄,分析了局域空心光束的演变过程及其横向光强分布。实验与理论模拟的结果相吻合。因而容易选择不同尺寸的局域空心光束对不同微粒进行囚禁。