基于菲涅耳标量衍射理论,推导了离焦状态下激光发射系统远场光斑分布的解析式,提出了一种基于相似度系数的采样间隔寻优法。用最佳采样间隔得到的数值仿真结果与解析计算结果的偏差小于0.04%。采用傅里叶变换法仿真了存在像差时的远场光斑分布情况,并分析了角位移、发散角、增益等关键参数对光场分布的影响。当激光波长为λ、指向允许偏差为3 μrad、中心增益裕量为3 dB时,基于公差分配理论得到离焦、倾斜、球差、慧差、像散的容差需分别小于等于0.36λ、0.07λ、0.43λ、0.13λ、0.5λ。

太赫兹( THz)量子级联激光器( QCL)是理想的固态 THz源，其出射光束的远场特性是 THz QCL研究中重要的一部分。实验上， THz QCL的远场光斑常呈多瓣或环形结构，用一般的衍射理论难以解释，为此把激光器看成辐射天线，利用电磁场理论，推导了单面金属波导 THz QCL辐射远场场分布和光强分布基本公式。对具有典型参数的 THz QCL的远场分布进行了计算。数值结果表明: 辐射远场光强分布是不对称的环形结构，且随着激光器的腔长变长，环逐渐变密。可见， THz QCL的天线模型给出了与实验观察一致的结果，说明天线模型更适合于 THz QCL远场光束的分析。

分析了基于透镜的傅里叶变换特性实现空间光通信端机远场分布测试原理，以球差、彗差为代表模拟测试系统自身像差对焦面光强分布的影响，由结果可以看出球差主要影响最大光强，其分布仍然保持旋转对称性，而彗差不仅使得光强峰值减弱，且接收面上光强变为非旋转对称分布，当系统像差均方根（RMS）值小于0.02λ时，最大光强的变化小于0.2%，可以忽略不计。基于以上分析，设计了离轴卡塞格林长焦系统，利用Zemax-EE对系统进行了分析，分析结果表明，在整个工作波段（800 ~1700 nm）内，中心视场RMS值为0.0001λ，全视场点列图均远优于衍射极限。对研制完成的远场分布测试系统进行了测试，得到的光斑暗环实际值与理论值的误差均在2.5%以内，满足要求。

啁啾脉冲光束的远场特性对其具体应用具有重要意义。利用夫琅禾费衍射积分公式导出了啁啾脉冲高斯光束远场光强分布的解析式，并通过数值计算分析了啁啾参数对远场分布的影响。结果表明，脉冲光束的远场中心光强随着脉宽的减小而增大，其远场轴上功率谱随着脉宽的增大而减小，与普通脉冲高斯光束相比，脉宽的变化对于啁啾脉冲光束的影响更大。脉冲光束的中心光强也随着谱宽的增大而增大,但啁啾参数的变化不会对其产生影响。

强度调制大气激光通信要求远场强度分布均匀平坦，而光强均匀度将会由于其空间相干性的退化而有所提高。实验研究了一种D形多模光纤的输出光场强度分布特性，比较了激光经圆柱形多模光纤和不经过光纤的输出光场强度分布，证明了采用D形多模光纤作为模式混合器，输出的光束具有相干度低和均匀性好的特性。

报道了优化p面电极的高功率高光束质量980nm垂直腔底面发射激光器(VCSEL).采用数学模型对VCSEL的电流密度进行了模拟计算, 发现电流密度分布由氧化孔直径和p面电极直径决定.确定氧化孔直径后, 优化p面电极直径可以实现电流密度的均匀分布, 抑制远场光斑中高阶边模的产生.将p面电极直径优化为580μm, 制作的600μm的VCSEL远场发散角从30°减小到15°, 优化器件的阈值电流和最高输出功率都略有增加.通过改进器件封装方式后, 器件输出功率达到2.01W, 激射波长为982.6nm.

根据激光二极管发光的部分相干性这一客观事实,运用部分相干光理论提出了描述激光二极管远场分布的新的理论模型。该模型体现了激光二极管本身特性参数对其远场分布的密切影响,能够描述已观察到的各种远场分布结构,为准确了解激光二极管输出光束的特性和对其进行光束整形提供了理论依据。

报道了一种具有新型排列方式的垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)阵列。通过调制阵列中各单元直径以及单元间距,得到1 kW/cm2的高功率密度和高斯远场分布,且在工作电流0～6 A内远场发散角均小于20°。阵列由直径分别为200 μm,150 μm和100 μm成中心对称分布的5个单元组成,单元圆心间距分别为250 μm和200 μm。在室温连续工作条件下,阵列在注入电流4 A时达最大输出功率880 mW,斜率效率为0.3 W/A, 具有0.56 A的低阈值电流, 微分电阻0.09 Ω。与具有相同出光面积的4×4二维阵列相比, 这种新型阵列在出光功率、阈值电流、光谱特性及远场分布等方面均具有优越性。模拟了阵列各单元叠加后的近场远场光强分布,结果表明得到的新型阵列的远场分布与实验结果吻合较好。

为了合理地设计光学系统以整形激光二极管出射光束, 必须准确了解激光二极管的远场分布,然而对于大功率激光二极管仍没有形式简单并且较好反映实际器件特性的光束模型。基于亥姆霍兹方程的严格远场解,提出使用两个离心高斯光束描述场源处平行结平面方向的模式场分布,将其代入严格远场解中得到一种描述大功率激光二极管远场光分布模型,用于描述其双峰远场结构。理论模型与三种实际器件的测量数据进行了比较,曲线主要部分都能很好吻合,并且偏差部分的能量仅占总能量的1%～2%。该模型数学表达形式简单,可以方便地用于研究光束经光学系统后的变换,以及计算光学系统的耦合效率,而且对于定量设计光学整形系统十分有用。

通过CCD图像采集单元结合传统的列阵相机测量高功率固体激光器的远场焦斑分布,采用图像处理技术的边缘算子提取焦斑的几何中心,提出通过几何中心对心的焦斑嵌套重构算法,解决了光斑饱和时的对心难题,实现了快捷准确测量激光焦斑,为激光器的实时控制提供参考数据.