利用不同阶拉盖尔-高斯（LG）模式激光具有不同光束尺寸的特性，在激光谐振腔内使用短焦距透镜引入球差，使各阶LG模式激光的空间光路发生分离，从而实现对高阶横模的选择并产生高阶LG模式涡旋激光输出。通过对高阶LG模式激光的聚焦特性和透镜球差进行分析计算，给出了高阶LG_0，±m模式涡旋激光的角向指数（m）随谐振腔参数变化的理论模型。搭建端面泵浦的1064 nm Nd∶YVO₄激光器开展了实验研究，在2.06 W泵浦功率下获得了角向指数可便捷调控且m最高可达到280的超高阶LG_0，±m涡旋激光输出。实验产生的超高阶涡旋激光具有良好的功率和模式稳定性，模式变化规律与理论计算结果相符。通过增加泵浦功率或优化泵浦交叠以提高激光增益，理论上可以产生任意高阶的涡旋激光输出。研究结果为超高阶LG模式涡旋激光的产生提供了参考。

在A章基础上,进一步研究两电极静电聚焦同心球系统的轴上点电子光学横向像差。研究表明,对于成像电子光学系统,由光阴极发射的电子所形成的图像弥散,其轴上点的图像弥散由近轴横向色差与几何横向球差两部分组成,这证明了在静电聚焦同心球系统中,阴极透镜的二级近轴横向色差即Recknagel-Apцимович公式普遍成立。研究了宽电子束与细电子束之间轴上点横向像差之差异,最后讨论了两电极同心球系统向近贴聚焦系统过渡的特例。

基于腔内球差选模方法在端面泵浦的 Nd:YVO4激光器中实现了能够对角向指数 m进行便捷选择的高阶 LG模式激光输出, 从 LG模式光斑半径和能量分布的角度对实验现象进行解释, 分析发现不同模式间球差引起的实际焦点偏离是实现单一 LG模式运转的关键, 而单一模式自身球差产生的损耗决定了该模式是否能够起振。根据理论分析, 分别通过使用长焦距透镜减小球差以降低高阶模式的损耗和增加泵浦功率以提高增益, 实现了角向指数 m最高达到 ±95的超高阶 LG模式输出; 通过使用短焦距透镜增大球差来加强对光斑较小的低阶模式的区分度, 实现了径向指数 p>0的 LG模式输出。

设计了一种高光束质量、高重复频率的光纤-固体混合皮秒Innoslab放大器,种子源由全光纤激光器以及端面泵浦双通放大器组成,输出平均功率4.5 W的种子光注入到Innoslab放大器中进行放大,在泵浦功率117 W时获得了平均功率28.4 W、脉冲宽度10.6 ps、重复频率18 MHz的皮秒激光放大输出,光-光转换效率达到20.4%。在Innoslab放大器中,基于热透镜效应补偿设计了Innoslab放大器谐振腔,通过增加种子光与增益介质的重叠面积提高放大器的提取效率。为减小板条晶体厚度方向上的热透镜效应及其影响,一方面采用双面焊接方法将晶体与热沉连接,避免了焊接层中出现空气孔并且提高了铟层的平整度,使晶体表面得到均匀散热;另一方面,利用球差自补偿方法抑制了板条晶体厚度方向上的热畸变,克服了热透镜效应造成的光束质量退化,最终得到光束质量因子 Mx2=1.33, My2=1.24。

提出了一种校正鱼眼镜头图像畸变的新方法。通过追迹光学系统的主光线，获得它在投影平面上的径向位置与它在像平面上位置之间的关系曲线；然后用傅立叶级数拟合该关系曲线；并求出该级数的逆函数，结果就可以根据畸变图像复原没有畸变的图像。用该方法数值模拟两个鱼眼镜头系统的图像畸变校正；并用其中一个鱼眼镜头(尼康16 mm/F2.8)拍摄的两张图像进行了畸变校正实验。结果表明，当设置投影平面和物平面重合时，恢复的图像相对于物体的残余径向高度误差非常小(小于0.25%)。实验证明了该方法是可行的。

为了研究激光偏振态对光阱刚度的影响, 本文比较了四种不同偏振态光场(方位角偏振光、径向偏振光、线偏振光、圆偏振光)捕获不同尺寸SiO2微粒的三维光阱刚度.研究结果表明：当SiO2微粒的尺寸和激光波长相近时, 圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度大于径向偏振光和方位角偏振光的三维光阱刚度; 而随着SiO2微粒尺寸的增加, 方位角偏振光和径向偏振光的三维光阱刚度大于圆偏振光和线偏振光的三维光阱刚度.此外, 实验也表明：使用浸油物镜捕获微粒时, 物镜匹配油的折射率和水的折射率不一致引起的球差, 会降低系统对物镜数值孔径的利用.通过这些研究工作, 可以为不同偏振态光场的测力研究提供一定的指导和参考.

利用临床采集的人眼波前像差、角膜地形图和眼轴数据, 在光学软件Zemax中构建了60只个性化眼模型, 得出在瞳孔直径为6 mm和3 mm时的入射波前像差和出射波前像差.在6 mm瞳孔下, 入射波前像差大小为3.753 μm, 出射波前像差大小为3.074 μm, 差异有统计学意义(显著性值<0.05).其中, 入射波前像差和出射波前像差的离焦项差异大小为1.131 μm, 约占总差异的82%.入射波前像差和出射波前像差的球差项差异大小为0.185 μm, 约占总体差异的13%.6 mm瞳孔下, 除去高阶像差项, 出射波前像差和入射波前像差的离焦项、像散项、彗差项和球差项均具有统计学差异性.而在3 mm瞳孔下, 入射波前像差为0.804 μm, 出射波前像差为0.732 μm, 两者具有统计学差异性(显著性值<0.05).入射波前像差和出射波前像差的离焦项差异大小为0.133 μm, 约占总体差异的80%.除去像散项, 出射波前像差和入射波前像差的离焦项、彗差项、球差项和高阶像差项均具有统计学差异性.研究表明, 无论在大瞳孔还是在小瞳孔下, 人眼的入射波前像差和出射波前像差均具有统计学差异性.

基于热透镜效应和球差效应同时存在的客观事实，建立了光束质量因子M2与热透镜焦距和球差的内在理论关系，准确地分析了热透镜焦距和球差共同作用下的光束质量变化。实验利用哈特曼-夏克波前传感器对LD端面抽运Nd∶YVO4晶体的相关波前信息进行重构，进而对比光束质量因子M2的实验数据与理论分析结果，证明光束质量在热透镜焦距和球差共同影响下逐渐减弱，验证了此模型的可行性，为固体激光器的优化设计和实验研究提供了参考。

基于双液芯柱透镜的折射率空间分辨测量精度高的特点，本文采用两种方法在室温(25 ℃)下分别测量了不同浓度的蔗糖水溶液的液相扩散系数。方法一: 等折射率薄层移动法，通过记录扩散过程中特定折射率薄层随时间的变化关系计算液相扩散系数。方法二: 瞬态图像分析法，通过读取一幅瞬态扩散图像中图像宽度与扩散位置之间的关系确定液相扩散系数。双液芯柱透镜的前液芯作为扩散池和主要成像元件，后液芯作为消球差辅助系统。充分利用了双液芯柱透镜可以按需减小特定液体薄层处的球差以及能够在一定的折射率范围内同时减小球差，两种方法均具有测量精度高的特点。两种方法的测量结果与文献值的相对误差分别小于13%和39%，表明用双液芯柱透镜测量液相扩散系数时，测量系统稳定可靠，测量结果准确。