以衍射理论为基础, 建立了椭偏高斯光束通过非线性介质后远场光强分布的理论模型。利用该理论模型采用数值模拟的方法研究了椭偏高斯光束与非线性介质相互作用后在远场形成的衍射图样随椭偏光椭偏率变化的演化规律。分析发现, 在不同非线性机制下, 椭偏率的变化对远场衍射图样的影响明显不同。在分子取向机制下, 非线性介质对入射椭偏高斯光束椭偏率变化的响应最敏感, 不仅影响衍射图样的分布尺寸和衍射环的数目, 而且还影响远场衍射图样中央光斑的亮暗。由于线偏振和圆偏振是椭圆偏振的特殊情况, 本文所建立的模型也适用于入射光束偏振态为线偏振或圆偏振态的情况。

以强激光系统和自聚焦理论的研究为出发点, 主要采用光束传输法和光线追迹法分析了非线性介质下的强激光光束传输过程。并且, 基于适合于非线性介质下光线追迹的亚当斯法和基于梯度信息的光强分布的恢复算法, 仿真模拟出光强与透镜厚度、介质折射率、透镜曲率半径以及入射光束半径的关系; 同时结合光学设计软件, 不仅得出了折射率与光强的乘积与焦点位置的变化关系, 还通过点列图中的数据直观地反映出系统结果的成像质量, 最后对光线追迹法和光束传输法两种光学方法进行了对比分析。仿真分析结果可以判断出系统的哪些部分容易受到自聚焦的影响, 进而可以通过改进某些参数的大小, 减少并消除其不利影响, 找到适合于强激光系统的最优方法。

“热像”是造成高功率固体激光装置光学元件损伤的重要物理机制。理论分析了相位缺陷经过非线性传输引起的“热像”特性,提出了带通成像提取引起“热像”的相位缺陷关键频谱方法,构建具有典型特征的16个相位缺陷,利用3种光路结构,量化分析了“热像”特性与带通成像特性间的关系,并获得了缺陷带通成像的相对亮度与“热像”强度的线性关系,相关程度与光学构型和带通滤波参数有关。研究结果对“热像”预判有重要意义,为高功率激光装置相位缺陷的检测奠定了技术基础。

The intensity distributions of a high-power broadband laser beam passing through a nonlinear optical medium with defects and then propagating in free space are investigated based on the general nonlinear Schr?dinger equation and the split-step Fourier numerical method. The influences of the bandwidth of the laser beam, the thickness of the medium, and the defects on the light intensity distribution are revealed. We find that the nonlinear optical effect can be suppressed and that the uniformity of the beam can be improved for a high-power broadband laser beam with appropriate wide bandwidth. It is also found that, under the same incident light intensity, a thicker medium will lead to a stronger self-focusing intensity, and that the influence of defects in the optical elements on the intensity is stronger for a narrowband beam than for a broadband beam.

以菲涅耳-基尔霍夫衍射理论为基础，对通过非线性介质的高斯光束传输行为进行理论分析，分别给出了强吸收、无吸收情况下开孔、闭孔Z扫描曲线公式；对不同条件下非线性介质的归一化透过率进行数值模拟计算，发现Z扫描曲线透射峰和透射谷表现出3种新的特性：随着入射激光峰值光强的增加，Z扫描曲线透射峰的高度受到抑制,而透射谷则加强变得更深；非线性相移的增加对Z扫描曲线透射峰和透射谷均有增高和加深的作用；激光束束腰半径越大，Z扫描曲线的峰谷特征越明显。

利用Snyder-Mitchell模型讨论了笛卡儿坐标系下(1+1)维和(1+2)维光束的传输过程，得到了强非局域非线性介质中传输光束的复宗量厄米高斯型解。该解为抛物线柱函数对高斯光束的调制。给出了复宗量厄米高斯光束共线传输情况。在一定条件下共线传输的复宗量厄米高斯型光束演化为涡旋光束。给出了单束复宗量和涡旋复宗量厄米高斯光束在临界功率下的传输过程，发现它们在传输过程中光束截面和光斑尺寸呈现周期性的呼吸变化，即为呼吸子或旋转涡旋呼吸子。

根据强非局域介质构成的平面介质波导中同频率和同极化的多光束共同传输模型方程，求得了任意斜入射多光束相互作用的精确解析解。基于强非局域介质空间双光孤子的相互作用原理，提出了利用全同孤子作为信号光来实现全光互联，但实现的逻辑也仅仅局限于短距离作用，还对全光开关抑或反相器作了详细叙述，通过实例给出了这类设计的优化方案。

基于菲涅尔衍射原理，应用傅里叶变换方法，从理论上推导了高斯光束经级联非线性介质传输后任意位置处光场分布的解析表达式，研究了光场峰值强度、峰值出现的位置以及光束的束宽和调制因子等参量在级联介质中的变化规律。结果表明：随着非线性效应的增强，光场峰值强度逐渐增大，峰值距离逐渐缩短，光束束宽不断减小而调制因子逐渐增大。在介质排布中要尽量错开光束峰值位置，采用均匀排布方案虽然可以降低元件受损的风险，但还需对介质均匀配置的间距进行有效优化。

由光束在克尔型吸收介质中传输的非线性薛定谔方程出发,推导了高斯光束注入介质后满足的耦合方程。在不考虑高阶展开项的前提下,将介质分为无吸收、有吸收两种情况,对脉冲的腰斑半径的演化进行了解析分析,得到注入克尔型非线性介质中的高斯光束,形成“孤波”必须满足光束在束腰处注入,介质没有吸收的条件；当考虑高阶展开项时,通过数值分析发现,无论介质是否存在吸收,光束传输不存在“孤波”形式,而是在注入强度的控制之下。当注入强度较小时,自聚焦过程是它的一个主要结果。但当注入脉冲的强度增加后,除了腰斑半径不为零的区间增加,光束仍保持聚焦的正常现象之外,存在一个阈值。当注入强度超过此阈值时,腰斑半径随着距离的增加而快速增加,聚焦趋势根本就不存在。

分析研究了相干光与具有空间反演对称非线性介质作用的压缩性质。对于一种非线性介质,其势能具有空间反演对称性,在此情况下介质的偶次极化率为零,对介质极化起主导作用的是它的三次极化率。因此,单模光场与此介质相互作用的哈密顿量正比于光场的湮灭算符与产生算符和的四次方。也就是说在计算相干光通过这种具有空间反演对称介质时考虑到所有的能量非守恒项的作用。对于一单模光场,定义两个无量纲的正交振幅算符,它们分别与坐标和动量算符成正比。利用海森堡运动方程,得到这两个正交算符的方程,并算出其近似解,然后计算这两个量的量子涨落。结果表明,可通过调节耦合常数、入射平均光子数、入射光频率、相互作用时间等参数来控制光场振幅算符分量的压缩性质。