近红外高斯激光束在强激光与材料相互作用、激光清洗、激光燃烧诊断等热点研究领域中发挥着重要的作用。然而，高斯光束能量分布的不均匀性阻碍了这些领域的深入发展。为提高工作效率和测量精度，实际应用中往往期望光束能量在较大工作距离内呈均匀分布，但现有光束整形方法无法同时满足长焦深和高激光耐受功率要求。为此，本文基于非球面像差效应提出并设计了一种新型长焦深高斯激光束均匀化光学系统，系统由非球面光束均匀化系统和球面长焦准直系统两部分组成，所有透镜均采用熔融石英并在其表面镀有增透膜，能够实现 99.9%的光学系统传输效率。系统工作波段为 1064 nm，工作距离为 1000 mm，系统总长为 135.2 mm，耐受激光功率不小于 300 W。设计结果表明：整形后的平顶高斯光束有效焦深为 ±100 mm，光束均匀性≥95%，会聚角为 17.52 mrad，能够满足上述应用场景的实际需求。本文设计的光束整形系统相比于其他激光光束均匀化系统，具有结构简单、易于加工、成本低、焦深长、耐受激光功率高、光束均匀化效果好的特点。

飞秒激光通过高NA值的物镜进行表面微加工时，过短的焦深会影响加工性能。分析了高倍物镜所带校正环对焦点的离散作用，提出了一种利用空间光调制器(SLM)进行全息散焦控制的方法。通过改变衍射轴锥镜(Axicon)计算机生成全息图(CGHs)中环形闪耀光栅的周期，来进行散焦控制以形成长焦深。焦点轴向强度分布以加工于聚酰亚胺薄膜(PI)表面微孔的形式表示，其分布与仿真结果一致。使用0.6 NA的40倍镜进行散焦加工，当环形闪耀光栅最小环周期为200 μm，并由内向外以400 μm递增时，可获得50.90 μm的均匀焦深，是直接使用高倍物镜聚焦进行加工所获得的6.15 μm均匀焦深的8.28倍。此外还通过SLM与校正环进行复合散焦加工，进一步均匀化了整个焦深区域。

高功率固体激光器对入射的泵浦光具有严格的均匀性和工作深度要求。本文通过将微透镜阵列与长焦深菲涅尔透镜结合, 对半导体激光器阵列光束进行整形, 获得在长工作深度范围内的均匀光斑。本文针对 dilas E15Y-808.3-1260C半导体激光器阵列设计了目标光斑大小为 4 mm×4 mm的三维激光整形系统。仿真结果表明, 该光束整形系统与传统的多通道光束积分整形系统相比, 在光斑尺寸与均匀性保持不变的情况下, 工作深度增加了 2倍。

为了提高数字灰度光刻系统的焦深，研究了基于点扩散函数稳定性的光瞳编码优化方法，在此基础上综合考虑系统的成像对比度和分辨率，利用工程计算软件MAPLE和光学设计软件ZEMAX设计了一种分辨率为1μm的含有5区相位型光瞳滤波器的长焦深数字灰度光刻系统。结果表明，系统调制传递函数表现出离焦不变性，在保证像方分辨率的前提下，系统的焦深被延拓到原有焦深的2.5倍以上，且在整个焦深空间内系统性能与焦点处保持一致,从而提高了光刻系统的工艺容限。所得实验结果与理论分析一致，说明了设计的可行性。

受限于传统激光加工透镜焦深与焦斑大小的矛盾关系，分辨率与加工深度很难同时获得提升。提出一种通过对不同焦距的菲涅耳透镜相位采样组合形成长焦深、高分辨激光加工聚焦透镜的设计方法。针对10.6 μm的激光加工波长，采用自编的程序设计了一个通光口径为11 mm、中心焦距为47 mm的激光纸张打孔透镜，并开展了相应的实验加工与测试。结果表明，该透镜与具有相同口径和焦距的传统透镜相比，焦深增加了2倍，并且在整个焦深范围内焦斑尺寸保持着与普通透镜相近的分辨率。该透镜实现简单，为大深度、高分辨的激光加工提供了可行的途径,在激光加工领域有较好的应用前景。

基于银板超透镜和多带相位二元光学衍射理论，提出一种超聚焦透镜结构。利用时域有限差分和标量衍射理论数值分析显示，这种超透镜在可见光范围，具有单一焦点，焦斑尺寸约0.36 λ，聚焦位置和焦深可达10 λ以上，在近场光学扫描显微镜和超分辨成像及光刻等系统中有潜在应用前景。

分析了基于能量守恒法获得的对数光锥位相函数的特点,建立了长焦深元件焦深与系统f/#及衍射元件浮雕深度间的函数关系,基于菲涅耳衍射公式分析了参数不同时元件的轴向光强分布规律.仿真结果表明:在给定波长及焦距的条件下,折-衍混合长焦深元件相对同f/#的球面折射透镜的焦深扩展倍数取决于衍射元件的浮雕深度,其值越大,焦深扩展倍数越大,焦深内轴向光强分布越接近平顶分布;焦深一定时,小f/#系统更易获得焦深内轴向光强的平顶分布.

针对惯性约束聚变(ICF)激光等离子体诊断系统应用的需求,提出一种采用非线性相位拟合法设计单透镜代替理想对数轴锥镜的方法。对所要得到的球面透镜与理想对数轴锥镜的相位进行拟合,求解得出所需要的球面透镜参量。设计了用于激光等离子体诊断系统的长焦深透镜,并对透镜的焦深、轴向光场均匀性、横向均匀性、焦斑旁瓣等指标进行分析。数值分析结果表明,长焦深透镜具有与理想对数轴锥镜相同的相位分布,焦深、轴向光场均匀性、横向均匀性、焦斑旁瓣均符合设计要求,验证了非线性相位拟合法的正确性。