基于微透镜阵列形式设计了新型大视场激光通信接收光学系统,并提出了完整描述微透镜阵列光传输的3×3光学矩阵模型,讨论了各光学元件倾斜角度和偏心对像面高度和出射角度的影响规律。针对微透镜阵列光学系统形式的设计要求,给出了合理的倾斜角度和偏心的公差范围,在完成积分透镜光学系统像差讨论的基础上,采用设计和仿真相结合的方式实现了大视场激光通信接收光学系统设计,并验证了三维矩阵模型的正确性。通过样机研制、匀光测试和视场测试,最终实现了视场角达0.9°、均匀性达86.58%的新型激光通信接收光学系统,实验测试数据与理论仿真数据相吻合。关于激光通信链路方面的讨论分析进一步证明了微透镜阵列光学系统应用在激光通信系统中的可行性和优越性,为激光通信接收光学系统的设计和研制提供了新思路和新方向。

为了提高半导体激光器光束的均匀性, 设计了非球面与微柱透镜阵列相结合的匀光系统。快轴方向利用光线追迹设计非球面匀化透镜; 慢轴方向采用微柱透镜阵列对光束进行分割叠加。半导体激光器输出光束通过该匀光系统, 在目标面上可以得到能量匀化的方形光斑。利用Zemax光学软件对半导体激光器单管和阵列进行匀化仿真, 验证了该匀化系统应用于半导体激光器整形的可行性, 得到了目标面动态范围变化对均匀度的影响程度, 研究了微柱透镜阵列间距变化及快轴匀化透镜旋转对光斑均匀度的影响。单管和阵列在输出面上的光斑均匀度均大于90%, 能量传输效率分别为95.4%和96.2%。该设计结果对半导体激光器光束匀化具有一定的参考价值。

为获得高亮度均匀白光束，基于复眼透镜光束匀化原理，设计了一套以三基色半导体激光器为光源的双复眼透镜光束匀化合成光学系统。该系统包含两套复眼透镜模组，第一套模组将分立三基色激光束聚焦合成均匀白光斑，第二套模组将白光斑转换为空间均匀白光束。对系统进行仿真，并对空间不同位置处的光分布进行照度和色度均匀性分析，结果表明所得光束为均匀白光束，理论上验证了该光学系统的可行性。搭建了实验光路，分别在距离系统1、2、5 m 处对合成白光束进行测量，结果表明合成光束照度均匀性均大于90%，色坐标标准差均小于0.0027。该光学系统合成的白光束具有亮度高、色坐标和强度分布均匀等优势，有望在医用光疗、显示、车用照明等领域得到广泛应用。

半导体激光器由于自身波导结构的不对称性导致光强分布不均匀而限制了其在工业加工上的应用，为了对半导体激光光束进行整形以获得均匀光斑，设计了一种基于微透镜阵列的半导体激光器堆栈匀化系统。分析了微透镜阵列对半导体激光匀化的原理，通过微透镜边缘衍射对匀化光斑的影响确定了微透镜孔径范围。采用6bar条半导体激光器堆栈对微透镜阵列光束匀化系统进行了仿真和实验验证，实现了均匀性为92.59%的光斑，能量传输效率为91.19%。该匀化系统在半导体激光焊接、熔覆以及硬化等表面处理中具有很强的实用性。

半导体激光器由于自身波导结构的不对称性导致光强分布不均匀而限制了其应用，为了对半导体激光光束进行整形以获得均匀光斑，设计了一种基于微透镜阵列的半导体激光器堆栈匀化系统。分析了微透镜阵列对半导体激光的匀化原理和光束匀化过程，通过分析微透镜边缘衍射对匀化光斑影响确定了微透镜孔径范围，采用近轴矩阵光学推导了目标光斑发散角。结合实例对微透镜阵列光束匀化系统进行了仿真和实验验证，实现了均匀性为91.89%的均匀光斑。

利用微透镜列阵实现光束的分割和叠加是一种典型的光束匀化方法。而在微透镜列阵实现激光光束匀化时, 由于微透镜列阵的周期性和激光的相干性, 匀化光斑会产生周期性点阵分布现象, 降低了光束匀化质量。提出一种利用中心离轴型随机微透镜列阵消除点阵效应以实现激光光束的匀化方法。在分析光束经过微透镜列阵的传播特性基础上, 设计列阵中各个子透镜单元的几何中心偏离其光轴, 利用中心离轴量的随机性打破微透镜列阵的周期性, 消除目标面处的点阵现象, 实现高均匀性的光斑分布。采用移动掩模技术制备随机微透镜列阵, 并开展激光光束匀化实验。结果表明, 该方法能够有效提高激光光束的均匀性, 有望在激光加工、医疗和照明等方向有较大的应用前景。

为了满足半导体激光器能量均匀化的应用需求, 基于ZEMAX光学设计软件设计了一套光束整形匀光系统。采用非球面镜与倒置柱面镜望远系统的透镜组合对单模半导体激光器进行准直, 得到近似高斯圆光斑; 在推导了基模高斯强度分布的匀光投影半径的基础上, 利用ZEMAX优化得到两个非球面镜组成的匀光透镜组, 在一定范围内可获得能量均匀度达96%以上的圆光斑。同时, 实现了一个大功率半导体激光器光纤耦合模块的能量匀化设计, 满足对能量匀化要求较高的应用。结果表明, 该研究为半导体激光器能量均匀化的应用提供了有效方法。

提出了一种用衍射微透镜阵列对面阵半导体激光光束进行匀化的方法，解决了折射型微透镜阵列难于实现高填充因子、高精度面型的难题。基于标量衍射理论，设计了具有多阶相位结构的衍射微透镜阵列，推导了半导体激光从输入面到输出面的光场计算公式。数值模拟了非成像型微透镜阵列光束匀化系统，并对其进行了实验验证。当衍射微透镜的口径为0.125 mm，相对孔径为0.1，相位台阶数为8时，测得焦斑在快轴方向的不均匀性为12.34%，能量利用率为96.6%；慢轴方向的不均匀性为5.42%，能量利用率为95.74%。实验结果与理论模拟的结果吻合，验证了衍射微透镜阵列光束匀化系统模型的可行性。

针对激光光束匀化的目的和特性，对现有的光束匀化性评价方法进行了分析，说明了这些方法的特点和存在的问题。提出了一种基于均匀度和平稳度的光束匀化性评价方法，该方法使用面阵CCD采集激光光强分布图像，通过图像处理分析光斑图像，采用均匀度和平稳度评价方法对光斑的整体能量分布和散斑进行评价。实验结果表明该评价方法可以较好地反映激光光束匀化状况。

为了在激光退火工作面上获得高均匀度光斑, 研究了双复眼透镜阵列光束匀化法中两透镜阵列间相对位置变化对匀化性能的影响。利用光线追迹方法, 模拟了双复眼透镜阵列间6个自由度的相对位置误差与光束匀化效果的依赖关系, 发现第二复眼透镜阵列的滚转角偏差是影响光束匀化质量的最敏感因素。为实现较好的匀化效果, 需要对复眼透镜阵列位置进行精确控制。结果表明, 使用专用镜架对透镜位置进行精确控制后, 光束均匀度达到0.039。该系统成功应用于激光退火装置, 实现了超浅结激光退火。