研究了部分相干径向偏振旋转对称幂指数相位涡旋（RPEPV）光束，即径向偏振多高斯-谢尔模RPEPV光束的紧聚焦特性。首先，建立了部分相干径向偏振RPEPV 光束的理论模型，并基于Richards-Wolf矢量衍射积分理论，研究了部分相干径向偏振RPEPV光束通过高数值孔径物镜后的紧聚焦模型，推导了光束在焦平面的交叉谱密度函数。然后，数值研究和分析了聚焦场的光斑强度、相干度和偏振度的分布特点。研究结果表明，改变光束阶数、拓扑荷数、幂指数和相干宽度等参数，可以获得包括高斯状、平顶状和多边形在内的多种形状的焦斑分布。

超声表面波是检测激光熔覆层质量的重要手段, 为提高检测分辨率, 采用可达到声束聚焦效果的相控阵表面波对激光熔覆层进行检测。建立了单探头与相控阵表面波传播的有限元模型, 基于Fermat原理研究超声波传播路径并分析了阵元延时特性, 实现了相控阵表面波的聚焦和偏转, 研究了熔覆层厚度对相控阵表面波聚焦特性的影响。结果表明, 对于基体材料为铝, 熔覆层材料为45#钢时, 熔覆层厚度在2.5 mm内, 聚焦点的能量随厚度增加而减小, 如1 mm厚相对于0.2 mm厚的聚焦点能量减小了58.8%; 当厚度大于2 mm时, 聚焦点处能量变化不明显, 表明超声相控阵表面波对薄的熔覆层具有较好的检测效果。

研究了硬边环带光阑内外半径和衰减因子对环带光阑圆形艾里光束(CAB)自聚焦特性的影响。结果表明,控制环带光阑内外半径,可以增加CAB第一个自聚焦峰光强且抑制传播后续聚焦峰光强;和无光阑时相比,添加环带硬边光阑有聚焦峰光强在不同的衰减因子下普遍增强的优点。因此,该方法在光操控粒子方面具有潜在的应用。

离焦量和激光能量的空间分布对激光加工质量有着重要的影响,通过调节扩束镜镜间距来满足不同加工材料对离焦量的不同需求是激光加工中常用的方法。通过使用ZEMAX软件分别在序列模式和非序列模式下对激光加工的光路系统进行建模,其中扩束镜是由双透镜组成的伽利略透射式系统,在仿真环境下测量了扩束镜不同镜间距和倾斜度对应的焦点位置和工作面光斑能量分布情况。结果表明:离焦量与镜间距变化量呈线性关系,离焦量随镜间距变化量的减小而减小;负离焦量随倾斜度的增大而增大。工作面上光斑的峰值功率随着扩束镜镜间距和倾斜度的增大而减小,镜间距改变带来的影响远大于倾斜度的影响。工作面上光斑位置的偏移量与倾斜角呈线性关系。光斑模式始终为基模高斯分布。实验测量了扩束镜不同镜间距下的离焦量和工作面光斑能量分布情况,实验结果与仿真结果较好得吻合。

设计一种简单的光学元件——抛物缝孔径获得Pearcey光束, 基于空间域中的广义惠更斯-菲涅耳衍射积分, 导出该系统的Pearcey光束表达式。数值模拟和实验验证了Pearcey光束的产生。同时研究了Pearcey光束的自聚焦特性, 讨论了抛物缝孔径焦准距对聚焦光斑的影响。实验所得自聚焦光斑大小与数值模拟相符, 研究结果对Pearcey光束用于光学囚禁提供理论和实验依据。

受激发射损耗(STED)显微可以打破衍射极限，观测到小于200 nm 的细胞器内部结构。利用径向偏振光通过大数值孔径(NA)成像可以提高STED 系统的分辨率。计算了径向偏振光径向光强分布和纵向光强分布，并分析了数值孔径变化时径向光强分布和纵向光强分布的变化。结果表明：纵向聚焦光斑比径向聚焦光斑小，且随着NA 的增大，径向偏振光径向聚焦光斑和纵向聚焦光斑尺寸均变小，强度曲线图的半峰全宽(FWHM)也变小，光强分布更加集中。因此，增大NA 可以提高STED 显微成像系统的分辨率。

：为了研究部分相干双曲正弦-高斯(SHG)光束通过像散透镜的传输和聚焦特性，利用部分相干光的传输公式，推导了光束通过像散透镜后光强分布解析的表达式，并据此得到了光束束腰宽度、远场发散角和M²因子的解析表达式，并对光束强度分布和束腰宽度进行了数值计算和分析。结果表明：部分相干ShG光束聚焦的光强分布与像散系数C₆，空间相干参数β，离心参数a，菲涅耳数N_w和位置(x，y，z)有关。像散导致x和y方向束宽不同。但M²因子与像散无关，并随相干性的增加和离心参数的减小而减小。适当改变像散和空间相干性，在几何焦面和其它位置可实现部分相干ShG光束的空间整形。

基于三能级速率方程理论, 结合惠更斯-菲涅尔衍射积分公式, 利用分步光束传播方法建立了半导体泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL)端面泵浦3D理论计算模型, 用于模拟研究铷蒸气激光器的泵浦阈值特性。该模型将光束传播、光与物质相互作用独立考虑, 利用迭代算法求解。考虑激光器腔内模式与泵浦光模式匹配对阈值特性的影响, 模拟了单端泵浦铷蒸气激光器内部的三维动力学过程。在具体算例中研究了模式匹配最佳时, 在阈值工作状态下铷蒸气室中的三维粒子数分布, 以及沿不同轴线的增益分布。仿真了在最佳模式匹配位置附近, 泵浦光模式变化对阈值特性的影响。根据蒸气池中粒子数分布和光场分布具体分析了模式匹配影响阈值特性的机理。同时还模拟了不同长度蒸气池对阈值特性的影响。结果表明, 腔参数与泵浦光模式之间存在一定的关系, 对于特定的泵浦光模式, 存在恰当的腔参数, 使得阈值达到最小。

空间啁啾效应是超短脉冲中的一种常见的时空耦合效应。对一阶空间啁啾高斯脉冲光束的聚焦特性进行了较为系统的研究，推导出了经透镜聚焦后光束的解析表达式。在不考虑透镜色差的理想情况下，解析推导出了聚焦后的脉宽、束宽以及振幅耦合系数的解析表达式。数值模拟了聚焦前后的光强分布，分析了考虑透镜色差时光束的脉宽、束宽以及振幅耦合系数随透镜后传输距离的变化，并与理想情况下的结果进行了对比。研究结果表明，不考虑透镜色差时，一阶空间啁啾高斯脉冲光束经过透镜聚焦后仍然是一阶空间啁啾高斯脉冲光束；透镜色差对一阶空间啁啾高斯脉冲光束聚焦后的束宽和振幅耦合程度没有影响，但会导致聚焦后光束的脉宽加宽。

根据角谱理论建立不同偏振照明条件下的光子筛矢量衍射模型。在此基础上，对入射光分别为线偏振光、径向偏振光、切向偏振光三种特殊偏振状态下的光子筛聚焦光强分布进行了模拟分析。研究结果表明，对于大数值孔径光子筛，入射光的偏振特性将对光子筛聚焦光强分布产生巨大影响。线偏振光将使聚焦光斑沿偏振方向拉伸，切向偏振光产生的聚焦光斑具有“中空”结构，而径向偏振光所产生的聚焦光斑呈较为规则的圆形，且其焦深优于线偏照明情况。在激光直写及高分辨成像等光子筛典型应用中采用径向偏振照明将进一步提高系统分辨力。