激光器谐振腔输出的光束呈高斯分布，需要通过光束整形来提高均匀性，以满足应用的需求。从光学系统的特性出发，总结归纳了当前主要的三种激光光束整形技术，包括光阑法、场映射器法和多孔径光束聚焦法，分别介绍了三种激光光束整形技术的基本原理、应用范围和主要实现方法，阐述了不同激光光束整形方法的典型应用和研究进展，最后，综合讨论了激光光束整形技术目前所面临的问题及未来的发展方向。本综述对激光光束整形技术的研究具有一定的参考意义。

水导激光加工技术中，高质量光束对耦合效率起着关键性的作用。为了解决水-光耦合技术的难题，使水导激光加工技术更好地应用在具有高熔点和高硬脆性的材料的高精密度和低损伤等加工场合，提出自聚焦-球透镜组合聚焦模式和正-负轴棱锥镜组合聚焦模式，并与传统凸透镜聚焦模式进行对比分析。根据三种可适用性聚焦模式，推导相应的ABCD传输矩阵，仿真聚焦模式下的光束特性，并讨论不同聚焦模式下的工业化应用特点。仿真结果表明，正-负轴棱锥镜组合聚焦后的光束束腰半径最小，传统凸透镜聚焦模式聚焦后的光束发散角最小，且三种模式结构不同，都存在各自的优劣性。

基于严格的全矢量衍射理论，系统详尽地分析了装校失调对大口径离轴抛物面镜（OAP）光束聚焦特性的影响。研究结果表明，OAP的三维平动及绕z″轴偏离旋转后衍射焦斑形态没有发生改变，只是焦斑中心位置发生了偏移，利用瑞利判据获得了OAP的三维平动及绕z″轴偏离旋转公差的量化关系；当OAP发生绕x″或y″轴偏离旋转时会引起像散、彗差的出现致使衍射焦斑形态发生变化，产生严重畸变，大幅降低焦斑的峰值光强。并详细探讨了衍射焦斑峰值光强下降10%时容许的最大旋转偏离角与OAP离轴参量、光束参量的变化关系。因此，理解装校失调对光束聚焦特性的影响机制及变化关系，可以为OAP的精密调整提供可靠的理论依据。

针对半导体激光二极管由束散角大(14°~46°)导致的激光功率密度在传播过程中不断衰减的问题, 提出了一种提高激光功率密度的光束整形方法。首先以X型柱面平凸透镜和Y型柱面平凸透镜对激光二极管输出光束慢轴和快轴方向进行准直, 然后通过一对平凸透镜组合进行扩束, 进一步提高光束平行度, 最后由单片平凸透镜将光束聚焦为高功率密度的光点。采用Light Tools软件仿真光路、优化光学元件参数, 对光学元件进行实际选型后安装并调试光束整形系统。测试结果表明: 半导体激光二极管输出光束的67%激光能量汇聚于直径1 mm圆内, 激光功率密度优于30 W/cm2。

针对两种波长的直接高功率半导体激光堆栈, 为适应半导体激光在材料加工方面的需求, 设计一种双波长合束及长焦距光学系统。首先, 利用快慢轴准直镜对两种波长的激光堆栈进行初步准直, 然后, 用双波长合束镜将其合束。进而, 利用倒置开普勒望远系统原理对慢轴光束进一步扩束准直, 最终, 用快慢轴聚焦镜实现同步聚焦。利用光参数积原理对聚焦系统进行理论分析, 并根据瑞利长度公式计算出焦深。用ZEMAX软件对整个光路进行光线追迹, 得出模拟结果。根据理论分析和软件模拟, 开展相应实验。经合束和聚焦, 实现焦距300 mm, 焦点尺寸2.0 mm×4.0 mm的聚焦光斑, 输出功率5 000 W, 功率密度达104瓦级。最后讨论该系统影响因素。聚焦光斑可用于激光熔覆, 表面处理等工艺。

针对激光微推力器对光学聚焦系统结构紧凑、聚焦光斑尺寸小以及避免羽流污染的特殊要求, 采用传统的光线追迹法研究单透镜直接聚焦、双透镜准直聚焦两种典型方案光学设计方法。针对低功耗半导体激光器光纤耦合输出的芯径和数值孔径条件, 在50 ?滋m级聚焦光斑约束下, 研究单透镜聚焦系统设计方案, 得到了透镜厚度、焦距、工作距等设计参数的关系; 研究准直聚焦光学系统的双透镜系统设计方案, 得到了透镜厚度、透镜中心距、工作距等设计参数特征关系。针对两种典型光学设计方案, 给出了工程应用设计参数。文中提出的设计方法避免了复杂的光学设计过程, 可为激光微推力器激光光束微尺度聚焦提供一种简单实效的方法。

针对2 750 W直接大功率半导体激光堆栈输出的矩形光斑, 设计了一种长焦距光学系统用于激光材料加工。首先,对整形光路进行了理论分析, 利用倒置开普勒望远系统原理对慢轴光束进行扩束和准直, 再利用聚焦镜实现快慢轴同步聚焦。推导出了快慢轴聚焦光斑大小的公式并计算出焦深理论值, 分析了聚焦光斑大小的影响因素。接着, 用ZEMAX软件模拟了LD stack光源和整个光学系统并进行了光线追迹, 得到了模拟的光束变化形式及聚焦光斑尺寸。最后, 进行相应的实验验证, 实现了1.5 mm×4.0 mm的焦点光斑, 焦距250 mm, 焦深18.6 mm。讨论了整个聚焦光学系统性能的优缺点以及今后的改进方向。这种聚焦方法可以得到长焦距高功率密度聚焦光斑, 满足激光熔覆、表面处理等工艺对光源的要求。

光束通过生物组织白色涂料等散射介质后将发生散射，实现对散射光束进行整形和控制具有重要的意义。使用振幅调制实时反馈的方法，对入射到散射样品的相干光的振幅进行预调整，探测器实时读取散射光斑数据作为反馈依据，以此调制空间光调制器上的对应区域，进一步补偿由散射介质引起的振幅失调。实验结果表明，目标位置光强得到显著增加，其能量平均值是调制前散射区域能量平均值的11倍。

关于自散焦介质光束的诱导聚焦问题，二维理论模型与三维体材料中的实验结果只能定性而不能定量地吻合。只有三维理论模型才能定量地描述体材料中的 实验现象，但这样的结果至今没有报道。讨论了三维空间中具有一定夹角的双光束传输问题，严格推导出这种情形下的光束耦合传输方程，并且证明了 对小夹角双光束传输过程的描述，可以通过具有对横向空间坐标线性“啁啾”相位的初始条件和平行双光束非线性薛定谔耦合方程构成的Cauchy(初值)问题 来实现。三维理论模型的数值模拟结果和Stentz的实验结果定量地吻合。

A spatial optical switch phenomenon caused by the induced focusing of a weak probe beam occurring in self-defocusing nonlinear media is discussed theoretically. A weak beam is induced to focus when it copropagates with an intense pump beam under the conditions that the probe and pump beams peak at different positions and propagate in different directions. Due to the effect of cross-phase modulation, the weak beam can not only be focused but also be deflected. The phenomenon is discussed by numerically solving the coupled amplitude equations.