基于轴锥镜和瑞利-索末菲矢量衍射理论，对无衍射光的产生及产生后的光场进行详细的理论分析。采用数值模拟对两束无衍射光的空间光场分布和轴上光强分布曲线进行仿真，基于锥镜加工工艺，对锥镜的锥角和第一、第二轴锥镜出射后的光束进行光场分析。结果表明：当第一轴锥镜的锥角小于第二轴锥镜时，出射光束在干涉重合区的光强为两部分光场的耦合叠加，并产生新的无衍射光束；反之，出射后的两束无衍射光不重合，继续保持各自的无衍射特性。其次，出射光束沿垂直于传输方向上的横截面上呈同心圆环分布，且同心圆环的半径随传输距离的改变而改变。从理论和模拟上均实现了两束无衍射光束的强度分布、光束分布及圆环环径的可调，这对无衍射光束应用于大尺度空间精密测量、粒子微操纵等领域具有重要的指导意义。

基于稳相法原理，构建一种新型无衍射地毯光束。首先，运用稳相法研究径向光栅经过轴锥镜后的菲涅耳衍射，在稳相近似条件下，从理论上获得了一种具有无衍射传输特性的地毯光束。然后，采用振幅型空间光调制器加载不同参数的径向光栅，并在空间光调制器后安装相位调制元件（轴锥镜），经过菲涅耳衍射后，可以在轴锥镜后的一定传输距离内得到一种新的无衍射地毯光束。最终发现，实验结果与理论模拟结果吻合得很好。

垂直入射平行光束经轴锥镜变换后，出射光束为Bessel光束。在轴锥镜后方一段传播范围内其分布形式始终保持不变，横截面光强分布表现为均匀间距的同心圆环，中心为一亮斑。首先通过几何光学分析，推导出无衍射传播距离的计算公式；然后，用波动光学的方法推导出亮暗相间同心圆环条纹的间距公式，以及给出存在确切解析表达式的轴锥镜后方横截面光强分布和Bessel光束中心光斑尺寸计算公式，并用MATLAB软件对Bessel光束进行模拟；最后，进行实验验证，并讨论Bessel光束与轴锥镜几何光学参数之间的关系，为Bessel光束的实际应用提供参考。

高阶贝塞尔光束被广泛应用在激光加工和精密测量等领域。针对高阶贝塞尔光束的生成方法, 通过空间光调制器加载高阶相位全息图, 代替真实的螺旋相位板和轴锥镜。理论分析锥镜组合和相位叠加两种模式下的光场分布, 设计实验对比两种模式下的光束调制情况。研究结果表明, 相位叠加法的调制效果优于锥镜组合法, 而且操作灵活、能减小加工误差, 是一种有效的高阶贝塞尔光束的生成方法。

为了探究轴棱锥透镜面形偏差对无衍射光束传播特性的影响, 建立了三种相对理想锥镜母线的偏离模型, 即母线向内侧凹陷、外侧凸出、顶点呈双曲线分布的轴棱锥透镜.推导了各偏离锥镜的振幅透过率函数, 并基于菲涅耳衍射理论对平面波经三种母线偏离锥镜的出射光场及光强分布进行了理论分析与数值模拟.结果表明：锥镜母线内凹时, 光场强度变小, 焦深延长, 纵截面光场逐渐发散, 沿轴向传输时中心光斑直径逐渐变大; 锥镜母线外凸时, 光场强度激增, 焦深变短, 纵截面光场逐渐汇聚, 沿轴向传输时中心光斑直径逐渐变小; 锥镜顶点呈双曲线分布时, 光场振荡加剧, 场强和焦深几乎不变, 纵截面光场发散后逐渐恢复至均匀分布状.研究结果可为分析轴棱锥透镜锥面加工误差对无衍射光束传播特性的影响、进一步完善无衍射光束衍射场理论, 以及拓宽其工程应用范围等提供参考.

为进一步完善多级无衍射光束的传输与变换理论, 拓展双级无衍射光束的应用范围, 根据轴锥镜法和菲涅耳衍射理论对双级无衍射光束的光场分布做了详细理论分析; 基于轴锥镜法搭建生成双级无衍射光束的实验平台, 获取了沿光轴传输至不同距离处的截面光斑及其光强分布, 探究了平行光束不同入射倾角对无衍射光束传输变换的影响.实验结果表明: 双极无衍射出射光场由四个区域组成, 在干涉重合区其光强为一、二级轴棱锥出射场的耦合叠加, 其余区域仍保持单级无衍射光束的传播特性, 其光强大小受轴棱锥透镜的入射光阑与透镜底角影响, 光斑破裂程度与平行光束的入射倾角呈正相关.本文对双极无衍射光束的空间传播特性、光强分布特性、光强影响因素等做了详细分析, 对拓展多级无衍射光束的应用具有指导意义.

为了改善非稳腔高能激光系统的光束质量, 提高发射光学系统口径的利用率, 采用新型的可用于光学非稳腔输出环形光束的光学整形方法, 通过在激光腔外的光路上增加光学元件对输出的环形激光束进行了整形变换。在理论分析的基础上, 设计并加工了基于双轴锥镜的光束整形装置, 针对非稳腔高能激光器输出的环形光束进行了整形实验, 取得了与理论分析一致的数据。结果表明, 采用双轴锥镜装置整形后的光束比原始光束具有更好的光束质量, 光束束腰直径由45mm减小为32mm, 光束质量因子M2由14减小到11.8。该方法用于光学非稳腔输出环形光束整形变换具有可行性。

为了提升激光器径向偏振光的输出功率, 改进了原有W形轴锥镜内锥角为90°的结构。为研究光束在轴锥尾镜单元的传输特性, 采用几何光学分析了轴向入射下、W形轴锥镜底角为90°时, 内锥角的改变对出射光的影响, 发现出射光的位置及方向不发生变化; 为研究轴锥镜的热畸变特性, 模拟了W形轴锥镜的温度形变, 可知内锥角变大时整体温度变小且分布更加均匀。结果表明, 随着内锥角的变大, 光束中心的光程减少量相对于光束边沿的光程减少量增大;采用Fox-Li数值迭代法模拟了引入上述形变后谐振腔的激光模式, 得出在内锥角为100°时温度形变对光束模式的影响最小。通过对W形轴锥镜温度形变的研究, 可为优化W形轴锥镜的设计提供参考。

提出一种增加轴锥镜对的同轴反射式光学结构激光发射天线方案, 通过对入射光束的光强重新排布, 降低同轴反射式结构固有的中心遮拦造成的能量损失, 提高光能利用率.运用衍射光学原理分析并模拟了单色高斯光束经过轴锥镜对后传播至天线光阑平面处的光场分布, 比较了普通同轴反射式天线和高光能利用率天线在不同入射光束腰半径、不同线遮拦比下的发射光能利用率.结果表明: 高光能利用率天线在线遮拦比0.1和0.25的情况下, 通过合理调整入射光束腰大小, 光能利用率分别可达到99%和96%以上, 远高于传统的同轴反射式天线.分析了高光能利用率天线发射光束的远场光强分布, 发现其进入接收天线口径内的光场可近似为平顶分布.