研究了不同晶面与掺杂的ZnO晶体在飞秒线/径向偏振光（330 fs， 532 nm）激发下的超快三阶光学非线性效应。首先，采用紫外/可见吸收光谱对ZnO晶体的带隙进行分析；然后，基于Z-Scan技术在飞秒线/径向偏振光条件下测试了ZnO晶体的三阶光学非线性特性。结果表明：在线偏振光和径向偏振光激发下，不同晶面和掺杂的ZnO晶体均呈现出非线性饱和吸收效应和自聚焦效应，由ZnO晶体中缺陷态的电子跃迁导致。飞秒线偏振光激发时，ZnO［101］的三阶光学非线性效应最强，由ZnO晶体中变窄的能量带隙引起的近共振增强的三阶光学非线性导致；而在径向偏振光激发下，ZnO［110］的三阶光学非线性最强，这可能是由较窄的能量带隙和飞秒矢量激光的轴对称偏振产生的各向异性非线性共同作用造成。本研究结果在可饱和吸收体、超快光场调控与超分辨成像等领域具有潜在的应用价值。

强飞秒激光在大气中的成丝过程伴随着自聚焦、群速度色散和等离子散焦等非线性光学现象，对于研究激光雷达、新型光源、人工降雨、大气污染物探测、激光远程探测和激光遥感等具有重要意义。飞秒激光在大气中传输时，通常会由于大气湍流导致的空气折射率扰动以及飞秒激光初始能量分布不均匀而产生随机多丝现象，从而影响了光丝的能量分布，缩短了光丝的传播距离并降低了光斑质量，限制了光丝的实际应用。本文介绍了近20年来国内外有关多丝调控研究的进展，分析了调节入射光束的椭圆率、改变激光场强梯度、调制激光相位、引入像散等多丝调控手段，旨在为研究飞秒激光多丝调控提供参考。这些调控手段都能在一定程度上消除多丝产生的随机性，但仍然存在多丝分布控制精度不高、激光能量损耗偏大、激光传输距离不够远等问题。因此，对多丝的调控还有待更加深入的研究。

围绕减小碎片靶面上光斑尺寸从而提高靶面光强的问题，采用解析方法研究了部分相干脉冲光（PCLP）在非均匀大气中的准稳态自聚焦效应对空间靶面光束质量的影响。推导出了PCLP从地面上行大气传输至空间轨道的束宽、曲率半径和实际焦距的解析表达式。研究表明，准稳态自聚焦效应会导致焦移，从而导致靶面光斑尺寸增大。指出采用准稳态和稳态修正焦距方法可以有效抑制准稳态自聚焦效应，从而减小碎片靶面光斑尺寸。推导出了PCLP的准稳态和稳态修正焦距的解析表达式，并给出了其适用条件。研究发现，采用准稳态修正方法能获得比稳态修正方法更小的靶面光斑尺寸，但稳态修正方法更易实现。

研究了频谱受调制的修正圆Airy光束（MCAB）在单轴晶体中沿光轴的传播特性。与其他光束一样，左旋圆偏振（LHCP）的MCAB沿单轴晶体光轴传播时会激发拓扑电荷数为2的涡旋右旋圆偏振（RHCP）分量。MCAB在晶体传播时，LHCP分量和RHCP分量都会出现“突然自聚焦效应”，不带涡旋的LHCP分量在焦点附近形成实心光束，而RHCP分量由于具有涡旋相位而在焦点附近形成空心光束。单轴晶体的各向异性导致LHCP分量比涡旋RHCP分量更早出现最大光强。选择合适的频谱调制参数，MCAB的“突然自聚焦效应”强度约为普通圆Airy光束（CAB）的3.4倍；在晶体长度为10 cm的情况下，不带涡旋的LHCP分量转化为涡旋RHCP分量的效率可达43.28%，比普通CAB高约10%。

利用环形艾里振幅调制部分相干光（PCB），解决PCB的光束扩散问题，并研究了艾里函数尺度因子、截断孔径和相干长度对光束自聚焦距离和聚焦强度的影响，以及部分相干环形艾里光束在湍流环境中的闪烁指数。研究结果表明：通过调制环形艾里振幅可以控制PCB的聚焦距离，并在保留PCB对抗湍流影响、减轻光强闪烁的同时减少光束发散，聚焦点处光强闪烁较原本PCB得到进一步降低。

构建双锥干涉模型设计双周期渐变光子晶体（GPC）结构，基于该结构的渐变光强分布设计了介质柱尺寸渐变的GPC透镜，并研究了内外锥干涉角对GPC周期及透镜聚焦特性的影响。研究发现，干涉光束内外锥角正弦差决定透镜大周期，而外锥角则直接影响小周期。当透镜大周期固定时，小周期越小，聚焦效果越好；而小周期固定时，大周期越小，透镜数值孔径越大。所设计的透镜可实现亚衍射极限聚焦，该研究有助于透镜在光耦合、光集成、光显示以及成像方面的应用。