光纤传输是常用的激光传输方式，随着光纤制备工艺的提升，大芯径、大数值孔径的传能光纤被广泛应用于多模激光传输。高效的激光耦合是光纤稳定传输的前提，为实现宽波段、高功率密度的激光耦合，根据混合模类高斯光束传输变换特性和耦合装置初始参数，结合像差分析，设计了一套大芯径四合一集束光纤与单芯光纤之间的非球面镜耦合装置，并通过机械装置装调实验得到了最高60.6%的光纤耦合效率。搭配自研激光共振电离飞行时间质谱仪，实现了钕同位素三色三步光电离路径对应激光饱和功率密度的测量，验证了装置满足复色激光共振激发电离特定同位素的光谱实验需求。

基于视点分段式体像素的桌面光场显示系统具有正面观看视区以及100°超大视角，能够显示具有全视差的高质量三维图像。但是，该系统还存在所构建的视点在空间分布不均匀的问题，观看视区中间区域视点分布密集，两边区域视点分布稀疏，使得显示的三维图像出现透视关系不正确以及视点间的串扰等问题，影响显示质量。本文通过对系统视点的构建过程进行分析，发现造成视点分布不均匀问题的原因是系统采用的柱透镜存在像差，导致出射光线无法会聚于一点，而是形成一个弥散斑。因而，为了均匀系统视点分布，本文提出了采用对透镜进行光学优化的方法以减小像差，并设计了一种非球面透镜。最终通过实验验证了方法的可行性，系统视点分布的均匀度由39.32%提升至98.39%，显示图像透视关系不正确以及视点间的串扰等问题得到了有效改善。

使用非球面透镜对高斯光束整形的方法已经非常成熟，可以根据入射光参数设计出特定的非球面整形镜。但在使用入射光束束腰以3 mm设计的非球面整形镜时发现，非球面整形镜不只适用于设计时的入射参数，在入射光束直径和发散角不同时，整形镜后均会有一个平顶分布最佳的整形位置，该位置随着入射光束直径的增大而远离整形镜，随着发散角的增大而靠近整形镜。为了探究最佳整形位置上整形结果的差异，利用控制变量法进行实验，发现入射光束直径和发散角对该位置上平顶分布的平坦因子没有明显变化，但是光束均匀性和边缘陡度会有最佳值，存在最佳入射参数。为了得到最佳整形位置与入射光束直径和发散角的关系，利用响应曲面法成功建立数学模型，当已知某入射位置处的光束直径和发散角时，可以快速得到最佳整形位置。

为了解决高功率白光LED光源输出高均匀度窄光束的问题，设计了一种由复合抛物面反射器、菲涅尔透镜和非球面透镜组成的照明系统。设计中以板上芯片型（COB）集成光源的配光曲线为依据构建光源仿真模型，由复合抛物面反射器实现大角度光线初次会聚之后，再由菲涅尔透镜控制溢散光，最后利用非球面透镜进行准直配光。采用TracePro进行蒙特卡洛光线追迹，根据仿真得到的系统性能指标，并研制出实物装置进行实验测试。最终测试结果表明：窄光束均匀照明系统可以输出±7.9°的光束，并且在距离系统出光面0.7 m左右的区域形成均匀度超过96%的圆形光斑，整体光效达到60%。