垂直入射平行光束经轴锥镜变换后，出射光束为Bessel光束。在轴锥镜后方一段传播范围内其分布形式始终保持不变，横截面光强分布表现为均匀间距的同心圆环，中心为一亮斑。首先通过几何光学分析，推导出无衍射传播距离的计算公式；然后，用波动光学的方法推导出亮暗相间同心圆环条纹的间距公式，以及给出存在确切解析表达式的轴锥镜后方横截面光强分布和Bessel光束中心光斑尺寸计算公式，并用MATLAB软件对Bessel光束进行模拟；最后，进行实验验证，并讨论Bessel光束与轴锥镜几何光学参数之间的关系，为Bessel光束的实际应用提供参考。

针对传统激光多普勒测速仪测量距离短的问题, 提出采用双透镜类望远系统的光学结构对高斯光束进行变换的方案, 阐述了激光多普勒测速的基本原理和高斯光束变换的具体方法, 设计并研制了一种便携式十米级激光多普勒测速系统。理论分析与路边测试实验表明: 这种十米级激光多普勒测速系统具有便携可移动的特点, 工作距离为 6~14m, 测量精度优于测量值的 0.2%, 可以获得所经过车辆的行进速度。将这种便携式十米级激光多普勒测速系统用于高速公路移动式超速检测是切实可行的。

搭建了基于液晶空间光调制器的光束变换光路系统,介绍了一种通过编写程序来实现特定的光束强度分布的方法.利用MATLAB编写了闪耀光栅、菲涅尔透镜、环聚焦透镜、柱面菲涅尔透镜、小孔以及衍射调制板的灰度光栅图,并将其加载于液晶空间光调制器上,成功实现了光束变换.

激光强化工程应用对硬化层深度、宽度和均匀性等强化参数有明确要求，激光强度空间分布是影响硬化层均匀性的重要因素。针对二维点阵光斑的强度空间分布提出一种半定量的数学模型，从均匀温度场出发，使每个小光斑处其余小光斑对其能量贡献相等，从而求出各个小光斑的强度比。给出3×3和5×5点阵分布光斑情形下激光强度空间分布的反求算例。使用有限元模拟和实验结果对此反求算法进行了验证。结果表明，此反求算法得出的二维点阵空间强度分布优化了硬化层均匀性。

激光合成技术旨在将几个分立的激光光束合成为一个同轴光束, 实现数倍于单个激光器功率的激光输出。设计了一种新型的空心光束变换器, 可将N路(N≥3)激光合成为一个同轴光束, 并进行了数值计算和实验研究。将此技术应用于三光束合成, 获得了激光合成效率89%, 时间同步精度误差不大于2 ns, 激光合成脉宽约10 ns, 激光光束发散角不大于2 mrad的实验结果。

设计并研制了一种多线阵半导体激光器的高亮度光纤耦合输出模块.激光器芯片采用了分子束外延方法生长的宽波导、双量子阱结构AlGaAs/GaAs激光器外延材料，激光器模块采用6只准直的线阵半导体激光器，器件腔长为1.2 mm，单个发光单元宽度为100 μm，发光单元周期为500 μm，单线阵器件包括19个发光单元，单线阵器件的连续输出功率为50 W，每只单线阵器件的准直输出光束经过空间合束后再通过光束对称化变换实现了多线阵器件输出的高光束质量功率合成，采用平凸柱透镜实现了合束光束与400 μm芯径、数值孔径0.22石英光纤的高效率耦合，整体耦合效率达到65%，最大耦合输出功率达到195 W，光纤端面功率密度达到1.55×105 W/cm2.

利用光束变换技术得到不同光斑形状和不同强度分布的光束，可满足表面硬化所需要的硬化层均匀性等要求。激光硬化在材料表面产生的实际效果与光强分布密切相关，利用特定光强分布的光束进行激光硬化可以得到所需要的温度场及组织分布，直接影响材料表面硬化的效果。对高斯光束圆光束、平顶矩形光束、曲边矩形光束、点阵光斑等不同强度分布的激光表面硬化(LSH)技术进行了介绍。硬化层特定的硬度分布及组织结构等硬化效果是特定光强分布激光束与材料相互作用的结果，要获得所需硬化效果，则需要利用反求方法设计与硬化效果相对应的特定光强分布的光斑。给出了特定光强分布的激光表面硬化技术的发展趋势。

设计了一种新型锥形激光光束变换器，它根据全内反射－折射原理扩大或压缩入射激光束的直径。利用光线追迹的方法研究了传输光线的传输规律和特性，并进行了相应的计算机模拟。设计的变换器可以将沿中心轴入射的单色平行光束压缩成平行于中心轴的光束、会聚在中心轴的光束或空心光束。对于入射的非平行光，它的特性同传统的成像扩束器相似，所不同的是拉格朗日不变量不再是常量，当压缩光束的直径时拉格朗日不变量略有减小，当扩大光束的直径时拉格朗日不变量略有增大。设计的变换器具有结构简单、价格便宜和倍率高等优点。

针对大功率激光加工对光束空间强度分布的实际要求，提出了一种用二元光学元件对光束进行变换的方法，即利用均匀采样的矩形孔径Dammann光栅对激光高斯光束进行光束变换，可满足任意点阵分布的输出要求。以线状、均匀、环状和非均匀分布的光强输出为例，介绍了矩形孔径Dammann光栅光束变换技术的设计原理及实现方法，结果表明输出光强分布具有较高的衍射效率和均匀性。将均匀和非均匀分布的输出光束应用在激光加工技术的表面强化上，结果表明试样表面的硬度和耐磨性等力学性能均有提高并且强化层具有较好的均匀性。