多维（多模）激光是突破单模激光技术瓶颈的重要途径，有望推动多学科交叉与创新发展。不同于传统的单模激光，多维激光具有光场结构复杂、可调控参数多等特点，其性能调控面临诸多挑战。近年来，随着人工智能的兴起，机器学习等智能调控技术被广泛用于光学系统性能的优化，推动了智能光学及相关学科的快速发展，为多维激光的智能调控提供了新思路。从激光谐振腔内部和外部调控两方面，介绍了智能调控技术在激光调控领域中的研究进展，并展望了智能调控多维激光技术在光学微操控、激光微加工和空间光通信等领域中的应用前景。

利用泊松网格优化算法设计了激光束整形自由曲面透镜，通过4次迭代，目标面的网格分布就接近于最优分布。使用该最优的目标面网格，基于输入光束与输出光束之间的能量映射关系，计算自由曲面各采样点的法向矢量，基于泊松面形构建算法获得自由曲面矢高，从而构建自由曲面透镜。为了验证所提方法的可行性，针对正方形目标面和矩形目标面分别设计了自由曲面透镜，这两种透镜在目标面上的辐射照均匀度分别达到91%和93%。为了验证自由曲面的平滑性，使用一个6阶9项多项式进行拟合，拟合后的均方根误差达到1.394×10^-3，表明所设计的自由曲面具有很高的平滑度。使用拟合数据建立自由曲面透镜，其目标面辐照均匀度几乎保持不变。采用随机统计分析方法对自由曲面透镜装配公差进行分析，结果表明在给定的公差范围，大部分样本的辐照均匀度保持在88%左右。

针对几何映射理论不考虑衍射效应,无法得到精确的输出光束,且输出光束存在严重振铃效应的问题,提出一种设计衍射光学元件的新算法。设置一个用于反映衍射效应的参量,通过迭代的方法确定该参量的最佳取值,再用改进的Gerchberg-Saxton(GS)算法对初始相位进行修正,最终得到所需衍射光学元件的相位分布。该算法与传统GS算法相比,能有效抑制散斑和振铃效应,得到均匀性更好的输出光束。

基于变形镜的激光束整形系统，具有控制灵活、适应性好、破坏阈值高等优点。为了提升变形镜作为相位调制元件的激光束整形系统性能，提出一种以最小二乘法拟合的驱动器控制电压为初始值的随机并行梯度下降算法优化驱动器控制电压的方法。通过驱动器正六边形排列的37 单元变形镜对不同大小的方形与圆形平顶激光束进行整形。数值仿真结果表明，在最小二乘法的基础上引入优化算法后，远场光强的目标区域均匀性及与理论光强的相似度均获得了改善，激光束整形系统性能得到提升。

为了满足高光束质量要求，校正激光束在传输过程中产生的波前畸变，改善激光位相分布，进而提高聚焦光斑的能量集中度，基于79单元微机械薄膜变形镜（MMDM）搭建了一套激光束整形实验系统。利用随机并行梯度下降（SPGD）算法，分别选择聚焦光斑半径、形心为中心的环围能量比和质心为中心的环围能量比作为算法性能指标，开展了激光束整形实验研究。3种情况下，分别经过58次、197次、133次迭代趋于收敛，但光斑半径作为性能指标时振荡严重；环围能量比从整形前的0200 5、0127 7、0200 5分别增加到整形后的0669 9、0733 9、0864 0。实验结果表明：MMDM用于激光束整形具有良好的效果，光斑半径作为性能指标整形速度最快，其次为质心环围能量比，形心环围能量比最慢；质心环围能量比作为性能指标整形效果最好，其次为形心环围能量比，光斑半径最差。综合比较，质心环围能量比作为性能指标时综合效果最好。

从设计优化算法和拟合方法两方面，研究了提高二元光学元件(BOE)激光束整形性能的方法。利用盖师贝格萨克斯通(GS)算法和平滑修正法相结合的混合算法以及改进的平滑修正法，在保持顶部均匀性的前提下提高了能量转换效率，在极坐标下得到了高质量的均匀圆光束和空心环形光束输出。研究了元件半径、采样点数和初始半径与拟合精度之间的关系。在Zemax中得到了合理的BOE相位结构，输出光束满足设计要求。

计算机光学元件是纯相位元件，能够产生任意形状的波面分布，但存在着加工工艺过于复杂的缺点。目前出现了用数字化元件实现计算机光学元件的方法，在这些方法中经常要面临黑栅效应的干扰。利用傅里叶光学理论研究了黑栅效应对具体元件的影响程度，找出了影响黑栅效应强弱的因素，并用MATLAB软件进行了模拟。模拟结果表明：减小黑栅的宽度可使光能量向接收屏中央集中，有效降低黑栅效应的干扰。

The influences of various laser modes on the splitting beam effect of Dammann grating are studied in theory and by numerical simulation. The results show that fundamental mode laser resembles plane wave while high order mode laser differs from plane wave in the splitting beam effect by Dammann grating. Therefore, the fundamental mode laser is more suitable to be the light source to improve the energy efficiency in far-distance image detecting systems, such as laser image ladar, which use Dammann grating in the illumination system.

阐述了在光刻应用中准分子激光束整形的原因和整形前后光束能量空间分布结果，并对建立准分子激光束整形的理论模型——高斯－谢尔模型(GSM)的方法进行了介绍。总结和分析了微透镜阵列和衍射相位光栅等光束均质器用于光刻激光束整形的优缺点，包括它们的整形能力、能量损失、干涉效应以及波前和振幅均匀化控制等；同时对主要整形器件的原理、特性和进展情况进行了简要综述。