拍瓦激光系统中剩余的高阶色散导致了脉冲波形的振荡，影响了拍瓦激光的信噪比。为了进一步优化拍瓦激光的信噪比特性，满足激光加速电子、质子等粒子的效率提升需求，本文提出了一种基于双折射晶体的新型超短脉冲的三阶色散主动调控方法，用于信噪比的主动调控。通过数值分析模拟了双折射晶体引入的二阶色散、三阶色散，针对中心波长为1053 nm的拍瓦激光系统，选择适当的晶体厚度，可以通过调节双折射晶体的面内旋转角改变系统剩余三阶色散。同时，基于神光Ⅱ第九路拍瓦激光系统光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）预压缩的信噪比测量值，对比了不同量级剩余三阶色散对脉冲信噪比的影响，得出通过改变拍瓦激光系统中剩余三阶色散量，可实现不同量级信噪比的主动调控的结论。该研究结果对于高能激光系统剩余三阶色散的补偿以及信噪比的优化具有重要意义。

准直系统用于高功率激光驱动器光路自动调整，同时也是保证光束质量的主要手段，其工作原理是在准直图像处理的基础上进行反馈控制。激光光斑与准直基准中心的识别提取是图像处理的核心。将蚁群算法引入到准直基准轮廓及光斑轮廓提取中，以图像灰度梯度作为信息素，提高对基准和光斑的边缘提取能力，同时针对准直图像的特性对蚁群算法进行优化处理，增强准直系统的自适应性。

重复频率激光放大器是实现重复频率激光器的关键器件,其重复频率取决于对抽运及放大过程中产生热量的有效控制。针对千焦耳量级输出重复频率激光器的需求,通过合理的结构设计、冷却液选型及测试等,研制出一台基于氙灯抽运、钕玻璃增益介质、液体冷却、通光直径为Φ130 mm的激光放大器样机。测试结果表明,该放大器样机可实现每分钟一次的重复频率运行,同时具备双程1.3189倍净增益,双程动态波前PV(peak to valley)平均值为0.2718波长(λ)(20 ℃,λ=1053 nm,10发次计)和0.3223λ(30 ℃,λ=1053 nm,10发次计)。

神光Ⅱ大型固体高功率激光装置是我国激光驱动器发展历史的里程碑, 其成功研制使我国高功率固体激光工程与技术、聚变物理与基础物理研究实现了全面且本质的跨越式发展。简要概述了神光Ⅱ激光装置研制中创新发展的大量工程方案与技术手段, 举例介绍了神光Ⅱ激光装置在近20年来的高质量运行中取得的众多有国际影响力的研究成果。经多方支持和多年持续发展, 已经形成数万焦耳级纳秒激光装置、皮秒拍瓦以及飞秒拍瓦激光装置等, 这些装置是我国惯性约束核聚变、强场物理、高能量密度物理等研究领域中重要的物理实验核心平台之一。

利用新型准直远场探测包光栅元件的双向衍射, 实现了空间滤波器的小孔准直, 特别是对同一段光路中两个空间滤波器的小孔对准.该方案克服了传统滤波器对小孔尺寸的限制并满足远场准直包高稳定性的要求, 在光路远场准直的同时实现了小孔中心位置的监测与准直调整, 并在以色列项目中得以成功应用, 装置实验结果表明: 针对装置15倍衍射极限大小的小孔, 对准精度小于小孔直径3%, 满足装置器件小孔对准调试小于小孔直径4%的要求.

为满足高功率激光装置光路自动准直系统的高精度要求, 提出一种光束非垂直过孔状态下椭圆光斑的光斑差值快速调节法, 并引入局部自适应阈值二值化算法提高准直图像的定位精度.当椭圆光斑长短轴差值较大时, 利用基于最小二乘法的椭圆拟合改进算法, 求出椭圆光斑长短轴的轴长, 通过远场反射镜调节长短轴轴长差值以调节光斑形状, 直到获得规则的圆形光斑.分析了圆光斑中心与基准位置的偏差值, 将差值转为闭环控制的步进电机调整步数, 实现了高功率激光装置光束的快速自准直.该算法应用在某高功率激光装置光路自动准直系统中, 结果表明, 远场指向精度优于0.033″, 优于目前高功率激光准直系统准直效果, 提高了激光光束的指向性精度.

为提高自动准直效率, 结合以太网, 设计出一套新型光路自动准直控制和检测方案.该方案采用基于耦合矩阵的前馈补偿及图像Jacobian矩阵的近远场串并行准直方式, 并引入局部自适应阈值和二值化算法, 同时将模糊控制算法运用到步进电机的调整过程中, 提高光束近远场图像的处理精度, 降低系统的准直时间.实验结果表明, 该准直系统远场的平均调整误差为空间滤波器小孔直径0.44%, 能够满足准直系统远场调整精度(小于小孔直径5%)的要求, 准直时间由原有的30 mins缩短至12 mins左右.

高能拍瓦激光的高精度脉宽测量对离轴抛物面镜焦斑功率密度的诊断以及光栅损伤阈值的分析都具有重要意义。分析了光束指向性和近场分布的周期性调制这两方面的误差影响。结果表明, 当反射镜稳定性在5 μrad时,光束指向性的误差最大为0.03%。当近场调制周期增加时, 误差降低; 而调制度增加时, 误差增大。另外, 采用镜像结构能降低近场缺陷导致的测量误差。当调制深度为1.5、调制周期大于10时, 综合误差小于20%, 最小可降至10%。镜像结构的误差均小于15%, 最小可降至0。在拍瓦级激光脉宽测量实验中, 证实了近场调制对于脉宽测量的影响及改善效果。

利用神光Ⅱ升级装置的三倍频激光参数精密诊断系统, 对类美国国家点火装置(NIF)的激光驱动器在高通量状态下的空间、时间及能量等三倍频激光参数进行了测量, 并通过提高近场分辨率, 对在终端光学系统石英元件加工过程中引入的相位型周期结构进行了确认。对高通量状态下终端光学系统的远场聚焦能力和近场传输调制特性进行了研究。结果表明, 相位型周期结构是引起三倍频近场调制增强的重要原因之一。