离焦量和激光能量的空间分布对激光加工质量有着重要的影响,通过调节扩束镜镜间距来满足不同加工材料对离焦量的不同需求是激光加工中常用的方法。通过使用ZEMAX软件分别在序列模式和非序列模式下对激光加工的光路系统进行建模,其中扩束镜是由双透镜组成的伽利略透射式系统,在仿真环境下测量了扩束镜不同镜间距和倾斜度对应的焦点位置和工作面光斑能量分布情况。结果表明:离焦量与镜间距变化量呈线性关系,离焦量随镜间距变化量的减小而减小;负离焦量随倾斜度的增大而增大。工作面上光斑的峰值功率随着扩束镜镜间距和倾斜度的增大而减小,镜间距改变带来的影响远大于倾斜度的影响。工作面上光斑位置的偏移量与倾斜角呈线性关系。光斑模式始终为基模高斯分布。实验测量了扩束镜不同镜间距下的离焦量和工作面光斑能量分布情况,实验结果与仿真结果较好得吻合。

设计一种简单的光学元件——抛物缝孔径获得Pearcey光束, 基于空间域中的广义惠更斯-菲涅耳衍射积分, 导出该系统的Pearcey光束表达式。数值模拟和实验验证了Pearcey光束的产生。同时研究了Pearcey光束的自聚焦特性, 讨论了抛物缝孔径焦准距对聚焦光斑的影响。实验所得自聚焦光斑大小与数值模拟相符, 研究结果对Pearcey光束用于光学囚禁提供理论和实验依据。

空间啁啾效应是超短脉冲中的一种常见的时空耦合效应。对一阶空间啁啾高斯脉冲光束的聚焦特性进行了较为系统的研究，推导出了经透镜聚焦后光束的解析表达式。在不考虑透镜色差的理想情况下，解析推导出了聚焦后的脉宽、束宽以及振幅耦合系数的解析表达式。数值模拟了聚焦前后的光强分布，分析了考虑透镜色差时光束的脉宽、束宽以及振幅耦合系数随透镜后传输距离的变化，并与理想情况下的结果进行了对比。研究结果表明，不考虑透镜色差时，一阶空间啁啾高斯脉冲光束经过透镜聚焦后仍然是一阶空间啁啾高斯脉冲光束；透镜色差对一阶空间啁啾高斯脉冲光束聚焦后的束宽和振幅耦合程度没有影响，但会导致聚焦后光束的脉宽加宽。

基于二维LC网络, 设计了一种零电磁材料聚焦器, 导出了该器件等效节点电压分布矩阵, 研究了聚焦区域为三角形、四边形、六边形、八边形的电磁聚焦器, 并在此基础上仿真了形状和尺寸对其聚焦特性的影响。结果表明：当聚焦区域小于两倍波长时, 该器件的特性与聚焦区域的形状无关；当聚焦区域逐渐增大时, 焦点的能量也随之增强；当聚焦区域大于两倍波长时, 主焦点逐渐消失, 同时将产生多个副焦点。

探索性地提出了一种基于新型扇形类抛物面聚焦镜的高功率激光加工用激光光束的展宽方法，并对该方法的实现原理和光路设计进行了研究与相关实验验证。根据几何光学原理，采用光线追迹的方法，对实际激光光束经新型光束展宽系统变换后的聚焦特性进行了分析。理论结果表明，通过光束展宽系统变换后，能够将原始圆形激光束连续扫描展宽为光强分布均匀的大尺寸（20~500 mm）弧形条状聚焦光斑。利用横流CO2激光器，对该光束展宽系统的实际光学变换特性进行了初步实验研究，实验结果与理论结果相符合。

对光子筛的结构进行了优化设计，通过实验研究了光子筛对355 nm 激光的聚焦特性，并与传统的聚焦元件波带片进行了比较。首先，使用自行编写的光子筛自动生成宏文件程序，优化设计了光子筛图形；制作了特征尺寸为2 μm、适用于355 nm 激光的聚焦光子筛和波带片；搭建了聚焦光斑的测试光路系统，得到了光子筛和波带片对355 nm 激光的聚焦光斑。通过比较分析，得出光子筛具有更好的聚焦特性以及旁瓣抑制能力的结论。

研究了长距离飞行光学(flying optics)高斯光束聚焦特性, 理论研究表明：将某一特定谐振腔的瑞利长度ZR取代q参量虚部的光斑尺寸w时, q参量的ABCD定律可以从基模推广到高阶模或几个模的叠加, 并推导出飞行光学实际焦距与几何焦距之差Df的计算公式。为了精确控制飞行光学聚焦特性, 研制了一套自适应飞行光学聚焦特性控制仪, 实验和理论比较吻合。

自适应变形镜技术在激光加工、激光发射和远距离输运、聚焦系统等方面的应用正日益受到重视,不断发展.它是激光光束质量和聚焦特性自适应控制的关键技术.本文着重论述高功率强激光加工中自适应变形镜技术及其对"飞行光学"聚焦特性控制的新技术.

在对高阶模飞行光学聚焦特性进行研究的基础上,提出了应用自适应飞行光学聚焦系统来解决飞行光学聚焦特性的问题,对自适应飞行光学聚焦系统的调节特性进行了数值模拟,结果表明该系统能够实现对长距离飞行光学激光加工过程中焦点位置与焦斑大小的控制.