为了克服激光无线能量传输接收系统中聚焦光斑能量分布不均匀、光斑形状不匹配的缺陷, 设计并加工了一种梯形二次聚光器。依据边缘光线理论分析了梯形二次激光器的设计原理, 利用Tracepro软件进行了仿真, 采用直角梯形拼接的方法加工成梯形二次聚光器。在激光无线传能系统中对梯形二次聚光器进行了实验研究, 对比了菲涅耳透镜单次聚光和与梯形二次聚光器组合聚光时对激光电池效率的影响。实验得出, 在激光电池接收功率一致的情况下, 菲涅耳透镜与梯形二次聚光器组合产生的聚焦光斑能使激光电池的转换效率值提高6%~7%; 在计入二次聚光器损耗后, 激光电池的转换效率值提高2%~3%。结果表明: 梯形二次聚光器的使用可以提升激光无线传能系统接收端的性能。

针对传统点聚焦菲涅尔透镜聚光分布均匀性差以及聚焦光斑形状与太阳能电池片不匹配的缺点，采用离轴非旋转对称叠加方法进行了方形光斑均匀聚光菲涅尔透镜设计，透镜采用方形非旋转对称结构，设计过程中通过在透镜中心截取一方形小孔来降低聚焦光斑中心辐照度峰值，改善接收面聚光分布，以提高聚光均匀性.采用光线追迹法模拟并分析了小孔边长、离轴偏移量、离轴聚焦距等参量对聚光性能的影响，结果表明: 采用该方法设计的透镜聚焦光斑形状为方形，聚光均匀度高达90%.

针对传统点聚焦菲涅耳透镜聚光分布均匀性较差以及聚焦光斑形状与太阳能电池片不匹配的缺点, 提出了一种分区多焦点叠加方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜的设计方法。在传统圆形同心环带点聚集菲涅耳透镜的基础上截取4个缺角等腰直角三角形菲涅耳透镜单元,做无缝拼接形成分区域四焦点叠加的方形光斑均匀聚光菲涅耳透镜, 通过这4个区域光的叠加有效改善了聚光的均匀度。基于光线追迹法, 采用TracePro光线模拟软件模拟并分析了环距、缺角弦长、腰长等透镜结构参数对聚焦光斑形状、聚光均匀度、辐照度等光学性能参数的影响。结果表明采用该方法设计的透镜聚焦光斑形状为方形, 聚光均匀度高达90%以上。

提出用两组相互正交的光楔列阵系统获得方形光斑,其特点是光斑尺寸在一定范围内连续可调,形状不受入射光截面形状影响,光斑强度空间分布均匀性好,且受入射光强度分布的影响很小。对该系统作了详细的理论分析和数值计算。