针对水下无线光通信系统对准困难以及光斑均匀性较差的问题，基于自由曲面设计理论设计了一种能产生矩形光斑的光学天线。仿真结果表明，当透镜与目标面的距离为10 m时，该自由曲面透镜能产生均匀度达到87.3%的矩形光斑，光能利用率为93.4%。将该自由曲面透镜应用于水下发射天线，当接收机灵敏度为-30 dBm、接收孔径为50 mm时，浑浊海水的最大通信距离为2.3 m，纯水、清澈海水的最大通信距离大于10 m。用三组自由曲面透镜组成的360°全覆盖全向光学发射天线产生的光斑边缘均匀度相比单一发射天线由17.4%提高到35.2%，提高了水下光通信链路的稳定性，为解决水下无线光通信中的对准问题提供了新思路。

提出一种通用的抛物带式矩形光斑积分镜,建立了分段抛物线匀化模型,推导了满足超精密车削加工的分段抛物线方程。该积分镜解决了传统直线带式积分镜在积分方向上匀化宽度太小的问题,可获得远大于输入光斑直径的匀化宽度,同时分析了该积分镜分割段数对输出光斑均匀性的影响。利用高斯光束行波传输方程,计算回转方向上的离焦光斑尺寸,解决了采用几何光学方法获得离焦光斑尺寸误差大的问题。设计了输出光斑尺寸分别为100 mm×3.2 mm和14 mm×3.3 mm的积分镜,采用Zemax和SolidWorks软件进行仿真,仿真得到的光斑尺寸分别为100.2 mm×3.2 mm和14.2 mm×3.3 mm。加工了14 mm×3.3 mm的积分镜,在3 kW光纤激光器上进行实验,测得的光斑尺寸为14.3 mm×3.3 mm,匀化方向均匀性为90%,满足激光加工应用要求。

针对3 kW 半导体激光器应用于机器人表面改性系统，聚焦光斑不均匀问题，提出了一种采用菲涅耳透镜对面阵高功率半导体激光器输出光斑进行聚焦匀化的方法，设计出尺寸为10 mm×2 mm 的均匀矩形光斑。利用Zemax 和Matlab 软件进行仿真分析，研究了菲涅耳透镜楞距和入射光发散角对聚焦系统焦斑均匀性的影响。结果表明，当菲涅耳透镜楞距在1 mm 以内时，焦斑均匀性最佳约为94.90%。随着楞距的继续增大，输出光斑均匀性会逐渐降低。当楞距增大到2.5 mm 后，光斑的均匀性不再随楞距的增大而变化，基本稳定在93.85%左右。焦斑的均匀性会随着发散角的增大有所提高，但是发散角太大会使聚焦难度增加，而且光斑均匀性也随之劣化。当菲涅耳透镜楞距为1 mm，入射光发散角在12.5~20 mrad范围内时，焦斑均匀性最好约为95.22%。

考虑不同的激光加工方式对激光功率密度和激光光斑尺寸的要求不同，研究了如何通过调整光路设计实现各种尺寸的聚焦光斑输出，使半导体激光器满足不同激光加工方式的需求。利用ZEMAX光学设计软件模拟半导体激光光路，包括光束整形、准直、聚焦等光束变换方式，实现了多种尺寸的光斑输出。实验中采用16个bar叠加而成的980 nm半导体激光叠阵，阈值电流为6.4 A，最大工作电流为84.8 A，最大输出功率为1 280 W，总的电-光转换效率为589%。准直后快轴的发散角小于4 mrad，慢轴的发散角小于20 mrad。通过实验对该激光叠阵进行光束整形和扩束准直、聚焦，最终实现了功率为1 031 W的激光输出，聚焦镜焦距为300 mm时的聚焦光斑尺寸达1.2 mm×1.5 mm，功率密度达38×104 W/cm2，可以用于金属的表面重熔、合金化、熔覆和热导型焊接。