围绕减小碎片靶面上光斑尺寸从而提高靶面光强的问题，采用解析方法研究了部分相干脉冲光（PCLP）在非均匀大气中的准稳态自聚焦效应对空间靶面光束质量的影响。推导出了PCLP从地面上行大气传输至空间轨道的束宽、曲率半径和实际焦距的解析表达式。研究表明，准稳态自聚焦效应会导致焦移，从而导致靶面光斑尺寸增大。指出采用准稳态和稳态修正焦距方法可以有效抑制准稳态自聚焦效应，从而减小碎片靶面光斑尺寸。推导出了PCLP的准稳态和稳态修正焦距的解析表达式，并给出了其适用条件。研究发现，采用准稳态修正方法能获得比稳态修正方法更小的靶面光斑尺寸，但稳态修正方法更易实现。

用数值模拟的方法研究了不同透镜聚焦和不同输入脉冲能量对环形高斯光束在大气中传输的影响。结果显示,在初始能量固定时,光丝的特性及其超连续波谱强烈依赖于凸透镜的焦距f和锥透镜引入的空间啁啾系数C。透镜聚焦能力减弱(f增大和C减小),成丝起点延后,光丝变长且不稳定,但更有利于波谱在短波方向上的展宽。由锥透镜聚焦所产生的超连续波谱会更加的光滑,在传播方向的作用区域也更长。频率变化最大值(Δωmax)的峰值更有利于光谱展宽,但与最大展宽位置并不完全对应。此外,固定透镜焦距f和空间啁啾系数C,适当的初始脉冲能量对获得宽而光滑的超连续谱也起着关键作用。

全固态皮秒放大器的平均输出功率易受到增益晶体中自聚焦效应的影响。通过引入补偿元件—砷化镓(GaAs)片可以避免自聚焦效应造成的损伤,关于砷化镓的抑制机理对高峰值功率Nd:YAG晶体皮秒放大器系统的进行理论分析和实验研究。以公式计算得到了GaAs材料的非线性折射率系数，并由数值模拟给出了在抑制自聚焦的最佳效果下GaAs片厚度与Nd : YAG棒长度的关系。在入射皮秒激光束中心波长为1 064 nm、重复频率为1 kHz、峰值功率密度为12 GW/cm2的条件下，进行了不同厚度(200 μm和550 μm)GaAs片对抑制Nd:YAG棒自聚焦损伤的实验研究。通过优化GaAs片的厚度，该补偿方法在高峰值功率皮秒脉冲条件下，特别是对于Nd：YAG放大器显示出较高的效率。

以强激光系统和自聚焦理论的研究为出发点, 主要采用光束传输法和光线追迹法分析了非线性介质下的强激光光束传输过程。并且, 基于适合于非线性介质下光线追迹的亚当斯法和基于梯度信息的光强分布的恢复算法, 仿真模拟出光强与透镜厚度、介质折射率、透镜曲率半径以及入射光束半径的关系; 同时结合光学设计软件, 不仅得出了折射率与光强的乘积与焦点位置的变化关系, 还通过点列图中的数据直观地反映出系统结果的成像质量, 最后对光线追迹法和光束传输法两种光学方法进行了对比分析。仿真分析结果可以判断出系统的哪些部分容易受到自聚焦的影响, 进而可以通过改进某些参数的大小, 减少并消除其不利影响, 找到适合于强激光系统的最优方法。

提出了一种新型的基于渐变折射率波导自聚焦效应的模斑变换器,分析了均匀折射率波导和渐变折射率波导的模式场分布及传输特性,研究了自聚焦效应的原理。利用时域有限差分法,计算得到了该变换器的插入损耗和回波损耗,所提模斑变换器与现有的最好模斑变换器的性能相当,但长度缩短至其1/6。该新型模斑变换器可用于集成光学系统中。

研究了脉冲能量对飞秒激光等离子体丝形成的影响, 基于荧光光谱法和照相图像法得到脉冲能量对飞秒激光等离子体丝长度和成丝起点的影响规律。实验结果表明：飞秒激光在大气中传输时, 经透镜聚焦后形成较长的等离子体丝; 随着脉冲能量的增大, 等离子体丝的成丝起点位置向聚焦透镜位置移动, 同时等离子体丝的长度增加; 等离子体丝辐射的N2 337 nm荧光谱线强度峰值位置靠近聚焦透镜, 并且整体荧光光谱强度得到增强; 相比于照相图像法, 荧光光谱法测量得到的等离子体丝长度更加可靠。最后对脉冲能量对等离子体丝起点位置的影响进行了理论解释。

基于Collins衍射积分公式，通过数值计算的方法，研究了异常涡旋光束在手征介质中的传输特性。研究结果表明异常涡旋光束在手征介质中被分化为左旋偏振光和右旋偏振光，其拓扑荷数的变化直接影响了左旋偏振光和右旋偏振光在光束中心处的相互干涉现象。当束宽变大，异常涡旋光束的能量及聚焦效应也随之增强。

为了获得高能量、高效率的钕玻璃前置放大器，设计了一套钕玻璃再生放大系统。通过调节单程增益和优化腔模设计，使得增益介质中的小尺度自聚焦效应得到有效控制。在重复频率1 Hz运行下，获得最大输出能量21 mJ、脉冲宽度2.65 ns的激光输出，相应的光光转换效率为5%，总增益达108，光束质量因子M2=1.5，脉冲能量稳定性均方根(RMS)值小于2%(超过2 h连续工作)，光谱的中心波长为1052.92 nm。