为了提升激光器径向偏振光的输出功率, 改进了原有W形轴锥镜内锥角为90°的结构。为研究光束在轴锥尾镜单元的传输特性, 采用几何光学分析了轴向入射下、W形轴锥镜底角为90°时, 内锥角的改变对出射光的影响, 发现出射光的位置及方向不发生变化; 为研究轴锥镜的热畸变特性, 模拟了W形轴锥镜的温度形变, 可知内锥角变大时整体温度变小且分布更加均匀。结果表明, 随着内锥角的变大, 光束中心的光程减少量相对于光束边沿的光程减少量增大;采用Fox-Li数值迭代法模拟了引入上述形变后谐振腔的激光模式, 得出在内锥角为100°时温度形变对光束模式的影响最小。通过对W形轴锥镜温度形变的研究, 可为优化W形轴锥镜的设计提供参考。

利用马赫-曾德尔点衍射干涉仪，通过一幅干涉图，直接恢复激光模式的强度和相位信息，重建模式复振幅。在理论上分析了利用快速傅里叶变换的点衍射干涉法重建激光复振幅分布的原理；推导了激光模式在自由空间中传输时强度和相位的分布情况。将模拟的分布与实验结果做了比较，结果表明，点衍射干涉法可以恢复激光模式的强度和相位信息。

为了判定被测激光的模式特征, 基于激光的频率特性, 提出了一种测量激光陀螺谐振腔横模特征的方法.利用F-P扫描干涉仪, 可以实时在线测量激光模式分布特性, 该方法以已知F-P扫描干涉仪的频率间隔和扫频速度为比例尺, 将难以测量的横模频率间隔转化为易于测量的时间间隔, 通过测量从扫描干涉仪给出的谱图, 计算出不同横模的频率间隔与纵模间隔的比例系数, 并与该陀螺的理论比例系数进行比较, 从而实现对激光陀螺谐振腔横模特征的精确判定.通过对某型环形激光谐振腔的测量实验, 得到了该陀螺模式特征随着工作电流大小变化的规律: 随着放电电流的增加, 激光陀螺腔内所振荡的横模由单一的基模逐渐转变为基模和高阶模的混合模,并准确地判定出该谐振腔横模特征, 其测量结果与理论结果误差小于2%.利用该方法横模频率间隔测量准确度可达1 MHz, 重复性可达0.4 MHz.

运用边界元素法把圆形高斯镜平凹腔的自再现模的衍射积分方程转化为有限阶矩阵方程。计算了圆形高斯镜取不同反射率膜斑半径和中心振幅反射率情况下基模的场强分布、相位分布和本征值。研究表明: 腔内光场分布半径随反射率膜斑半径的减小而增大，中心振幅反射率不影响光场分布半径；反射率膜斑半径影响远场分布，当其数值较小时，在光束的远场分布主峰周围产生弱衍射环；当高斯镜中心全反射时，远场分布随反射率膜斑半径的变化无明显变化；模式本征值随反射率膜斑半径的增大而增大。

提出了一种新颖的宽频带钕玻璃激光三倍频技术——组合激光工作模式（宽带激光与窄带激光混频）方案。数值模拟研究表明: 利用窄线宽钕玻璃激光脉冲，可以缓解宽频带激光谐波转换过程中群速度失配对转换效率的影响，从而提高宽带钕玻璃激光的转换效率；并且该方案可以与目前使用成熟的双和频晶体方案结合，从而能支持目前钕玻璃激光装置能达到的最大带宽约5 nm的高效三倍频（理论上效率达约80%）。

把圆形高斯镜平凹腔自再现模的衍射积分方程转化为有限阶的矩阵方程, 在平面输出镜呈高斯分布的镜面变形时, 数值计算了激光场模式的场强、相位分布和模式本征值。结果表明, 当变形量较小时, 随着变形量的增加, 镜面上光场的分布范围增大, 也就说明模体积增大, 但镜面光场仍保持拉盖尔-高斯光束基模特征, 相位由平面慢慢变得凸起, 远场分布变化不明显。当变形量较大时, 光场分布开始发生畸变。从模式本征值的变化看, 在一定的变形范围内, 本征值下降不多, 说明较小的变形量对激光损耗影响不大, 仍能使激光较稳定输出。在圆形高斯镜平凹腔输出镜发生不大的高斯状变形的情况下, 仍有维持输出高质量激光束的能力。

为了将虚共焦非稳腔输出光束质量高和角锥棱镜谐振腔具有免调试的优点结合到一起，提出了用球面角锥棱镜构成虚共焦非稳腔的方案。利用已有虚共焦非稳腔钕玻璃激光器，设计加工了一球面角锥棱镜非稳腔钕玻璃激光器。模拟计算了两谐振腔输出光束的模式分布，然后对两钕玻璃激光器进行了实验对比研究。结果表明:实验得到的模式分布与模拟计算结果相吻合，球面角锥棱镜非稳腔钕玻璃激光器与虚共焦非稳腔钕玻璃激光器分别获得了最大2 176.9 J和2 340.6 J的能量输出，二者的电光效率与束散基本相同，分别为4.3%,0.30 mrad和4.6%,0.26 mrad。

为了研究大功率横流CO2激光器模式的形成原因及改善途径,理论分析了横流CO2激光器的管板式电极结构。通过数值求解放电区电势的拉普拉斯方程,得到了电势和电场的空间分布。由场强的分布可以定性地认识放电区电子密度、粒子数密度、光子密度的分布情况,从而定性解释了模式形成的原因和光斑能量分布不均匀的特点。计算结果表明,减小电极距离和增大阴极管径都有助于提高光轴附近场强和均匀性,进而可以提高电子密度,从而达到控制、改善光斑模式的作用。在理论分析的基础上,对激光器的电极和光轴等进行了调整,实测得到了明显改善的光斑模式。