采用新型多环形腔结构优化垂直腔面发射激光器（VCSEL）的光场分布，解决了大孔径器件严重的载流子聚集效应导致的输出功率低、光束质量差的问题。研究结果表明：新型结构VCSEL较孔径相同的传统结构器件呈现更低的阈值电流，特别是输出功率较传统结构提高了近56%，且远场呈高斯分布。研究工作为实现高光束质量大功率垂直腔面发射激光器提供了新的技术途径。

构建了一种激光二极管(LD)侧面单向泵浦激光模块的理论模型。综合光线追迹和有限元仿真方法,推导了该模型下泵浦效率及晶体内光场分布均匀性的计算公式,数值分析了LD切向位移量、径向角度偏离度及晶体吸收系数等因素对泵浦效率和光场分布均匀性的影响。研究结果表明: 随着吸收系数的增加,光场分布的均匀性呈现逐渐下降趋势; 通过优化LD切向位移量和径向角度偏离量,仿真获得了高达93%的泵浦效率。研究成果对高功率LD侧面单向泵浦激光模块的优化设计和实验研究具有一定的参考价值。

针对现有多交变光场的光源一致性差、体积大、难集成的问题,提出一种单交变光场的驻波合成电行波的微控移相精密直线位移测量方法。该方法利用单路交变光源与四路正弦栅面空间调制获得四路光强信号;通过微控移相电路获得时间上严格相差90°的两路驻波信号,并合成一路电行波信号;最后利用高频时钟脉冲对参考信号与电行波信号的相位差进行插补,实现位移测量。文中分析微控移相测量原理,并针对移相精度和光场分布建立理论模型和仿真模型,明确了传感器因移相精度和光场分布引起的一次、二次误差产生的原因。实验结果表明,所研制的原理样机,在0.6 mm的短周期内原始测量精度为±0.26 μm,经误差修正和优化后,在500 mm测量范围内,测量精度与RENISHAW激光干涉仪基本一致。集成化的结构和高精度测量结果为该传感器下一步工程化应用提供了良好的基础。

高功率激光装置需要利用激光吸收体实现对杂散光的有效管控。然而吸收体受光面交界处极易发生激光损伤，可能导致激光装置内部的洁净环境受到污染。为了解决这一问题，基于有限元分析方法，模拟了高功率激光吸收体受光面交界处在包括无过渡、圆弧过渡和平面过渡等不同过渡条件下介质内部的光场分布，分析了吸收玻璃界面对光场的影响，得到了介质内部光场峰值强度及峰值位置的变化规律。结果显示: 吸收体的损伤可能是由于过渡面为曲面导致的。研究工作为吸收玻璃的激光损伤研究和吸收体设计提供参考。

以基于猫眼效应的逆向调制激光通信为应用背景,将猫眼镜头的角失调量转化为线失调量,在柯林斯(Collins)衍射公式的基础上建立了大视场猫眼回波功率分布模型。仿真分析了离焦量、入射角、猫眼口径和焦距对回波功率分布的影响及猫眼回波光束的原路返回特性,并进行了实验验证。结果表明:入射角越大,回波光斑的面积越小,衍射越强烈,且相同入射角下,猫眼的口径越大,焦距越小,回波光斑受入射角的影响就越小;同等离焦量下正离焦回波光斑的发散角小于负离焦;猫眼回波的中心偏移量与入射角和离焦量呈线性关系,且存在一个正离焦量值使回波光束能够原路返回。

为满足高能激光环形光束在近场区和远场区的实际应用需求,从电磁波衍射积分方程出发,推导了环形光束光场分布和远场光强分布表达式,并对光场分布和光强分布进行了分析,得到光强分布与高斯光束的有限孔径大小、中心遮拦比和传输距离的关系.引入大气湍流场景,采用相位屏法对环形光束在不同湍流强度下的大气传输进行了数值模拟和分析,研究了受大气湍流影响远场光斑畸变、光斑破碎、光束扩展和漂移等的增强现象.最后开展了环形光束近场区大气传输数值模拟和实验,结果表明：随着传输距离的增加,光斑中心光强越来越强,光斑逐渐趋于均匀,平均光强呈类高斯分布,近场区环形光束扩散和光斑畸变现象受大气湍流影响而增强.

为了找出多束表面等离子体激元干涉的分布情况, 采用严格的解析推导方式, 建立了多束表面等离子体激元干涉场的理论模型, 在此基础上数值模拟了多束表面等离子体激元干涉产生的2维及3维点阵结构的特性。结果表明, 干涉场分辨率可达到1/6波长, 并与普通激光多光束干涉场在光场的形状上一致。该研究有助于多束表面离子体激元光刻的进一步研究和阵列型纳米级光学器件的制造。

建立了LD侧面泵浦激光介质内的光场分布数值模型。通过光线追迹方法，简化了介质对泵浦光折射的计算方式。利用Matlab软件数值模拟了泵浦光在介质内的归一化分布。提出获得高质量、高能量的激光输出参数的选取原则。当LD的束腰半径为1μm、LD的数量为40个、介质的半径为1.5mm、发光面到介质的泵浦距离为0.5mm、介质吸收系数在2cm-1～6cm-1之间时，泵浦光在激光介质内的增益分布较好。