光束聚焦可提高激光器输出光束的能量集中度,这是激光应用领域颇受关注的研究课题。光束聚焦特性的研究可为激光聚焦系统设计和光束(束腰位置与尺寸)精确控制提供重要的理论参考和应用指导。本论文采用物理光学方法研究激光远场聚焦,探讨了激光远场聚焦的光束质量退化及相位修正问题。主要工作包括:(1)基于惠更斯-菲涅耳(Huygens-Fresnel)衍射积分和贝塞尔函数,推导了高斯光束通过光阑与透镜分离光学系统的衍射光场分布,给出了光学系统结构参数与高斯光束通过光学系统焦移及光束质量退化之间的关系。(2)基于柯林斯(Collins)公式,推导了厄米-高斯光束通过含有限制孔径光学系统的传播方程。光学系统的元件可用光学变换矩阵表征,孔径可用复透过率函数描述。该方法通过将孔径的复透过率函数展开为一系列复高斯函数和的方式来获得衍射场的解析形式。并且借助得到的传播方程,应用环围功率准则,获得了不同模式厄米-高斯光束通过光学系统的焦移及光束质量退化情况。(3)搭建了高斯光束通过光阑透镜分离系统的聚焦实验平台,并将实验结果与理论计算进行对比,进而考察高斯光束通过光学系统的焦移与光束质量退化情况。(4)以二阶矩(second-order moment)束宽和桶中功率(power in the bucket,PIB)为特征参数,进行了激光光束通过湍流大气远场传输的光束质量退化研究,并给出了详细的数值分析结果。(5)搭建了基于光束质量性能评价函数的相位修正系统,以提高激光光束通过光学系统后光斑的能量集中度,改善聚焦激光的光束质量。利用随机并行梯度下降(SPGD)算法,基于桶中功率性能评价函数,通过变形镜的控制,修正激光光束的相位分布,以使激光光束通过光学系统传输后的光束质量符合实际应用需求。