在大功率的光学切割系统中，激光经过光学系统聚焦会产生热量，造成光学系统元件发生热形变和折射率的改变，从而导致镜片焦距发生改变，影响加工效果。利用COMSOL软件对光学系统进行多物理场模型建模，仿真得到连续激光和准连续激光作用下的镜面形变量和折射率改变情况，将镜片受热后数据导入ZEMAX中进行光束追迹，仿真计算出光学系统焦点的轴向偏移量。功率越大，焦点偏移量越大；脉宽越大，焦点偏移量越小；重复频率越高，焦点偏离量越小。最后通过引入对流系数对焦点偏移进行补偿，同时改变对流系数可以控制焦点的位置。该研究解决了大功率激光加工过程中的轴向焦点偏移量测量难的问题，为大功率激光切割设备的焦点控制提供理论依据。

为了了解带宽对厄米-高斯光束的聚焦特性和焦移的影响,采用衍射积分推导了TEM11模和TEM22模厄米-高斯光束通过受光阑限制色散透镜的传输公式,并利用数值计算对聚焦光强分布进行了研究,分析了带宽对两种模式焦移的影响。结果表明,TEM11模和TEM22模厄米-高斯光束的焦移量都会随带宽增大而增大,但两者的大小依赖相对带宽；当相对带宽小于 0.25时,TEM22模焦移量大于TEM11模焦移量,然而相对带宽大于 0.25时,后者会稍大于前者；带宽变化使TEM22模轴上光强主极大和次极大发生消长,从而引起轴上光强极大位置发生跃变。该研究结果对宽带厄米-高斯光束的应用具有一定的参考价值。

为研究平顶高斯光束通过高斯光阑透镜系统的传输特性, 基于光学矩阵的方法和Collins公式导出了平顶高斯光束通过该复杂光学系统后的场分布的解析表达式和近轴光强分布值, 进而分析了平顶高斯光束通过高斯光阑透镜系统后的传输特性。研究结果表明, 平顶高斯光束通过高斯光阑透镜系统后, 实际焦点位置和几何焦点位置并不重合, 即发生焦移现象。焦移量的大小与高斯光阑宽度及光阑与透镜间的距离等因素有关, 即在一定条件下, 光阑宽度增大, 相对焦移量变小, 光阑与透镜之间的距离与焦距的比越小, 相对焦移量就越小。

研究了基于双折射晶体的非“三明治”结构的分区光瞳滤波器在低数值孔径聚焦系统中的光学特性。以内区为玻璃和外区为双折射晶体的两区光瞳滤波器为例，给出了此类光瞳滤波器光瞳函数的精确表达式。结合标量衍射理论，数值模拟了其光学特性。结果表明，通过旋转光瞳滤波器可以实现系统焦平面上横向光学超分辨的连续调节，同时可以扩展焦深。这种滤波器较现有的基于双折射晶体的光瞳滤波器具有更高的光能利用率，并且其可调性更方便于实际应用。

通过理论分析和数值模拟，对聚焦平台光束大气传输的焦移问题进行了研究。聚焦平台光束在湍流大气中传输时，湍流将导致光束的束腰向发射点移动，且湍流越强移动的幅度越大；大气湍流强度相同时，聚焦平台光束发射口径越小，其束腰移动的幅度越大。另外，通过调节发射系统的焦距，使聚焦平台光束的束腰正好位于接收探测器处时，接收探测器上的激光功率密度并非最大，只有当发射系统的焦距等于激光的传输距离时，接收探测器上的激光功率密度才会最大。

光学超分辨、焦深扩展及焦移3种效应一直受到研究人员的关注，且在光学显微成像、光学校准、光学相干层析成像及光存储中有着重要的应用。提出一种可调谐光瞳滤波器来实现光学系统的轴向焦移及扩展焦深。该光瞳滤波器由两个完全相同且相互平行的λ/4波片和置于其间的λ/2波片组成，其中λ/2波片分为两个可作相对旋转的区域，并且通过推导得出其光瞳函数。研究结果表明，通过旋转半波片的角度可以实现焦移量的实时控制。因此该系统可应用于自动调焦系统，比如某些光学读写驱动系统有时需要调整焦平面。另外，当半波片两部分相位差为π时，横向超分辨和轴向扩展焦深同时实现, 可以应用于共焦扫描成像系统中。

在傍轴近似下，推导出了左手材料平板聚焦系统的传输矩阵，并利用ABCD定律得到了高斯光束在左手材料中和经过平板透镜聚焦后的传输公式。高斯光束在左手材料内部和像空间的传输公式的研究表明：像高斯光束和物高斯光束束腰大小一致，即左手材料平板透镜实际上对高斯光束没有聚焦作用。研究同时表明左手材料平板对高斯光束的聚焦与几何光学成像规律完全一致，而不存在一般透镜聚焦时的焦移效应。

基于矢量德拜理论, 研究了双环径向偏振涡旋光束经介质分界面的深聚焦特性。当选取适当的入射光束拦截比时(即透镜孔径半径与入射光束的束腰半径的比),在聚焦场中可以得到一个极小的局域空心光束。局域空心光束的大小不仅与透镜的数值孔径有关, 还与聚焦场介质的折射率有关。另外, 还研究了透镜的数值孔径、入射光束的拦截比以及探测深度对聚焦光束实际焦点位置的影响。通过对聚焦光束的实际焦点位置的计算发现：当选取一定的光束拦截比时, 聚焦光束存在一个焦点开关。

将LP01模表示成用拉盖尔-高斯模线性叠加的形式,利用柯林斯公式推导出单模光纤波导模通过傍轴ABCD光学系统的解析传输公式。用所得的解析公式对LP01模在自由空间的传输和聚焦特性作了研究,并和高斯基模进行了比较。数值计算结果表明,用高斯基模描述LP01模会产生一定误差。LP01模经过透镜聚焦后存在焦移,且焦移随着菲涅尔数传输特性的减小而增大。选择合适的菲涅尔数聚焦后,LP01模会出现长焦深,这是与聚焦的高斯模所不同的。