在光场中引入一维燕尾突变函数，利用分步傅立叶方法研究了燕尾高斯（SG）光束在分数薛定谔方程（FSE）中的演化动力学，详细讨论了线性势、抛物线势、高斯势及无势的情况。在无势情况下，SG光束会因群延迟的变化而分裂成两个子光束，并且分裂轨迹会随着Lévy指数的增大出现弯曲。在线性势下，SG光束出现了周期性反转和聚焦行为，Lévy指数和线性势系数分别影响聚焦点峰值强度和反转及聚焦的演化周期，其反转和聚焦周期距离只受线性势影响而与Lévy指数无关。在抛物线势情况下，具有较大Lévy指数的SG光束的主瓣和旁瓣反转和聚焦从杂乱转变为周期性演化，其反转聚焦位置由抛物线势系数和Lévy指数共同决定。在高斯势中，光束的演化在势垒的约束下由于反射主瓣和旁瓣的干扰，窄势垒的周期性反转和聚焦出现杂乱混沌现象，而对于宽势垒，由于旁瓣减弱，周期性演化变得清晰。本文研究结果为利用高阶燕尾光波场实现光调制器和光开关提供了可能。

采用多层相屏法和快速傅里叶变换法数值求解热晕方程，研究了复合贝塞尔高斯（cBG）光束大气传输过程中受热晕效应的影响。研究发现：由于热晕效应造成的光强和相位畸变，cBG光束会发生相位奇点移动和轨道角动量谱展宽，并产生模式串扰。当风速较小时，大气介质吸收激光产生的热效应较强，导致光束的模式串扰也较强。对于初始角量子数差值较大的cBG光束，其相对串扰能量较小，受热晕效应影响导致的模式串扰较弱。此外，还研究了旋转cBG光束的热晕效应，该光束的旋转特性使其在传输过程中四周都能得到均匀的扩展。因此，相较于非旋转cBG光束，旋转cBG光束的光强分布比更均匀，模式串扰更小。并且，随着旋转cBG光束的径向波数差值的增大，模式串扰减弱。综上，增大初始角量子数差值以及径向波数差值可以有效降低cBG光束的模式串扰。

双自由曲面光束整形系统可在不改变光束相位分布的情况下实现光束空间光强分布的按需调控，然而其需要设置虚拟平面来进行双自由曲面面形的求解。研究发现，传统单一虚拟面法在应用于结构紧凑和扩束倍率较大的系统时，存在设计不精准、整形效果差等缺陷，为此，提出了一种基于虚拟面迭代策略的双自由曲面光束整形系统设计方法。基于不同参数的同轴透射式和离轴反射式光束整形系统的数值仿真研究结果，表明该方法可有效规避传统虚拟面法的局限性。以将束腰半径为5 mm的高斯光束整形为半径30 mm的准直平顶光束的透射式双自由曲面光束整形系统为例，虚拟面迭代法所设计的光束整形系统将光强分布均匀性和能量利用率相对于单一虚拟面法而言分别提升了2.93%和8.93%。

光纤传输是常用的激光传输方式，随着光纤制备工艺的提升，大芯径、大数值孔径的传能光纤被广泛应用于多模激光传输。高效的激光耦合是光纤稳定传输的前提，为实现宽波段、高功率密度的激光耦合，根据混合模类高斯光束传输变换特性和耦合装置初始参数，结合像差分析，设计了一套大芯径四合一集束光纤与单芯光纤之间的非球面镜耦合装置，并通过机械装置装调实验得到了最高60.6%的光纤耦合效率。搭配自研激光共振电离飞行时间质谱仪，实现了钕同位素三色三步光电离路径对应激光饱和功率密度的测量，验证了装置满足复色激光共振激发电离特定同位素的光谱实验需求。