模场直径作为单模光纤的一个重要参数，远场可变孔径法是GB.15972.45-2008中推荐的测量方法。本文分析了单模光纤中传播光场的分布，其中光场的模式行为是亥姆霍兹方程的解，理论上应满足贝塞尔函数。对此，本文基于远场可变孔径法提出一种利用贝塞尔函数拟合光纤出射光场分布，进而由拟合得到的模场分布曲线计算模场直径。与目前常用的远场可变孔径法相比，在测量数据正常时，本方法与常用方法测量精度相当。当测量数据存在误差时，本方法仍能保证测量结果的稳定性与准确性。

研究了椭圆纤芯少模光纤的模式特性,给出了少模光纤中克尔非线性耦合模方程的一般形式,详细描述了少模光纤参量放大器的设计方法。利用COMSOL仿真软件获得了导波光场模式分布对纤芯椭圆率的依赖关系,进而计算了少模之间的四波混频相位失配因子和相应的模场交叠积分(或非线性系数)。研究了阶跃型折射率分布的椭圆纤芯少模光纤中三个模群的简并四波混频过程。结果表明,当LP_21a模的抽运光功率为0.5 W时,LP_11a模的信号光增益达到20.15 dB,在增益劣化2 dB的范围内可允许的椭圆纤芯误差为0.6 μm。

非线性波导是一种重要的光量子器件。采用马卡梯里近似, 可以近似描述波导的模场分布特征。针对ee-e准相位匹配的周期极化铌酸锂波导, 分析波长为1 064 nm的基波和 532 nm的 二次谐波的基模模场分布。结果表明: 如果波导为嵌入型正方形波导, 基波和二次谐波的光斑基本为圆形, 基波场分布范围较大; 在截面正方形边长为5 μm并且芯区比包层折射率略高002时, 波导就能将两种光波场基本约束在芯区中, 但是这种波导边长为05 μm时约束能力就变得很差; 如果采用芯区与包层折射率差别较大的波导, 芯区边长为05 μm就可以将两种场分布基本约束在芯区中。结果对分析其他类型的非线性波导的模场分布具有指导意义。

利用非等距差分法进行一阶和二阶微分近似，对任意多包层光纤的半径和折射率分布进行非线性网格划分，对亥姆霍兹方程进行数值化，用Matlab编程求解特征矩阵方程，得到准确的单模、多模光纤模场分布，计算出五包层色散平坦光纤的归一化模场.结果表明，非等距差分法既可以保证运算的准确度，又能够提高运算速度，为深入研究光纤的其它特性奠定基础.

在传统光纤激光器工作原理的基础上,考虑光子晶体光纤(PCF)模场分布特征,给出了连续泵浦情况下单模PCF激光器的速率方程和功率传输方程。利用该方程对掺镱单模PCF激光器的性能进行了数值模拟研究。结果表明:虽然空气占空比大小对PCF激光器的输出功率、泵浦阈值和斜率效率等影响不显著,但对拉曼非线性阈值影响却很大。当泵浦功率小于拉曼非线性阈值时,激光器主要输出信号激光;当超过拉曼阈值且在较宽的范围内,激光器同时输出功率相近的信号激光和拉曼光。基于这种效应,提出一种由泵浦功率控制的双波长光纤激光器的新思路。考虑到PCF非线性系数的可调控特性,采用不同光纤有可能在较宽的功率范围获得双波长激光振荡。

基于介质平面光波导端面无受限衍射场光束的光束传输因子的特点,阐明光波导TE0模模场分布采用高斯分布近似表达的合理性。基于场分布间的匹配效率计算公式,提出采用等效匹配效率方法确定用于高斯近似表达的等效模场半宽度,给出基于光波导芯层半宽度和归一化芯层驻波参量和归一化包层倏逝波参量表达的光波导等效模场半宽度的函数表达式,给出高斯近似分布与光波导本征场分布的匹配效率,阐明采用等效匹配效率方法确定等效模场半宽度的合理性。采用求解方程组的方法,给出基于光波导芯层半宽度和归一化频率表达的光波导等效模场半宽度的拟合函数表达式,并基于拟合引起的误差分析阐明了拟合函数表达式的精确性。

为了研究横流气体激光器因谐振腔腔镜倾斜、中心热变形以及增益介质的横向流动而产生的非均匀增益对激光模场分布的影响，采用快速傅里叶变换算法模拟了高能CO₂激光器的输出模场。结果表明，这些因素都会导致模场分布畸变。通过腔镜冷却、改善腔镜材料、增大反射率以及适当调节腔镜倾斜方向可改善非均匀增益对模场的影响。

应用时域有限差分(FDTD)法,对以相同的磷酸盐玻璃为基质的两类条形光波导:沟道型和掩埋型波导的模场特性进行了数值模拟比较,激励源都分别采用了1.54 μm正弦平面波和1.54 μm高斯光波,得到与理论相符合的光波传播模式,发现光波在掩埋型条波导中形成稳定模式所用时间比在同样大小的沟道型条波导中更短,并证实了波导中的光波模式仅取决于波导结构与光波波长.

运用时域有限差分(FT-TD)法,对平面光波导髙阶模的模场分布进行分析。首先用矢量FD-TD法分析了TE1模的模场分布情况;然后又用标量FD-TD法分析了 模的模场分布情况。通过计算机计算所得的模场分布图像与用其他方法所讨论的结果相吻合。