基于三能级速率方程理论, 结合惠更斯-菲涅尔衍射积分公式, 利用分步光束传播方法建立了半导体泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL)端面泵浦3D理论计算模型, 用于模拟研究铷蒸气激光器的泵浦阈值特性。该模型将光束传播、光与物质相互作用独立考虑, 利用迭代算法求解。考虑激光器腔内模式与泵浦光模式匹配对阈值特性的影响, 模拟了单端泵浦铷蒸气激光器内部的三维动力学过程。在具体算例中研究了模式匹配最佳时, 在阈值工作状态下铷蒸气室中的三维粒子数分布, 以及沿不同轴线的增益分布。仿真了在最佳模式匹配位置附近, 泵浦光模式变化对阈值特性的影响。根据蒸气池中粒子数分布和光场分布具体分析了模式匹配影响阈值特性的机理。同时还模拟了不同长度蒸气池对阈值特性的影响。结果表明, 腔参数与泵浦光模式之间存在一定的关系, 对于特定的泵浦光模式, 存在恰当的腔参数, 使得阈值达到最小。

借助于光束相干偏振矩阵和广义惠更斯－菲涅耳衍射积分公式，研究了非均匀偏振(NUP)光束通过环状光阑像散透镜的聚焦特性，并将圆孔光阑作为环状光阑内径为零的特例处理.数值计算结果表明，实际焦点位置、光强和偏振度分布与透镜的像散、环状光阑的菲涅耳数和遮拦比以及NUP光束参量有关.

利用变栅距光栅的衍射光束自聚焦特性,设计和制作了变栅距透射光栅,并对其自聚焦特性进行了研究。采用变栅距光栅的自动生成宏文件程序,优化设计了变栅距光栅的栅距变化。采用光栅扫描电子束光刻的方法制作了中心线数为300 l/mm、适用于355 nm 波长的自聚焦变栅距变狭缝光栅。使用三倍频Nd:YAG 激光器,研究了制作的变栅距光栅的聚焦特性,并与对氦氖激光的聚焦特性进行了比较。结果表明,主动式设计的变栅距变狭缝自聚焦光栅可以大幅提高衍射光强度和分辨本领,具有重要的应用价值。

利用菲涅尔－基尔霍夫衍射积分公式，研究薄片近似情况下的Kerr效应带来的波前畸变对高斯光束聚焦特性的影响．在相位延迟为－2～2rad的范围内进行的模拟计算表明：正Kerr效应能提高高斯光束的聚焦强度、增大相对焦移量、提高聚焦光束的焦平面桶中功率和降低几何焦平面的峰值光强；而负Kerr效应，则会降低聚焦强度、增大相对焦移量、降低聚焦光束的焦平面桶中功率和几何焦平面的峰值光强．可以通过增大光束菲涅尔数来抑制Kerr效应对聚焦特性的影响．

从亥姆霍兹方程出发,考虑透镜的色差和球差,得到了超短脉冲经过小数值口径透镜后光场的解析表达式;利用数值模拟得到了旁轴焦平面和边缘焦平面上光场强度的时空分布,以及聚焦区域内轴上点的强度分布图,并分析了色差和球差的大小对它们的影响.由于通过透镜中心和边缘之间的大部分脉冲产生了干涉相消,因此在旁轴焦平面与边缘焦平面上都出现前、后两个峰值相差很大的脉冲,并且随着球差的增大,两峰值差更大了;聚焦区域内轴上点的强度分布基本是对称的,强度最大点不是出现在旁轴和边缘焦平面上,而是在它们之间的某个位置,并且随着球差的增加,该位置将向聚焦区域的边缘靠近.

讨论了高斯光束经由凹透镜,子系统和凸透镜构成的复合光学系统的聚焦特性,利用矩阵光学方法,推导出了高斯光束经复合光学系统聚焦后束腰宽度和像距的计算公式.计算例表明,选择适当参数的复合光学系统,既可以获得较小的束腰宽度,又可以获得较长的像距.

从Collins公式出发,研究了高斯光束通过双焦透镜后的聚焦特性.在无光阑的情况下,给出了轴上光强和x,y方向两束腰及其位置的解析公式.详细的数值计算表明,轴上光强最大点位于其中一个束腰位置附近或者相重合,但始终不能超过透镜较大的焦点.并且,相对束腰的位移随光阑效应的增加而增加.