本征正交分解（POD）方法已经广泛应用于时间变化随机场的分析，但其直接法或快照法存在自身固有缺陷，前者使关联矩阵求解特征值和特征向量较为困难，后者的有限抽样帧数会影响对随机场的统计特性分析。鉴于此，本文建立了基于泽尼克（Zernike）多项式加权系数的Zernike-POD方法，用于气动光学效应的波前模态统计分析。对于圆域问题，Zernike多项式阶数给定后，各阶加权系数与波前分布是一一对应的，并且通常用几百阶多项式就足以复原各种复杂波面形状。Zernike-POD方法由对波前本身改为对Zernike多项式加权系数的分解和模态计算，由于多项式阶数远少于波前的空间离散点数，因此，关联矩阵的维数降低，计算量减少，计算效率显著提高。Zernike-POD方法不损失空间分辨率，同时不需要限制最高采样帧数，因此，时间统计特性不受影响，预估的波前模态具有较高的时空分辨率。为验证该方法的有效性，用大涡模拟方法开展圆柱绕流数值仿真，并计算圆柱尾迹卡门涡街结构产生的时间系列气动光学效应数据，将该数据用于波前模态分析，波前空间分辨率为100×100，采样帧数为2万帧，Zernike多项式阶数取为217阶。一阶模态与稳态波前分布相似，二阶与三阶、四阶与五阶模态近似互为配对关系；前10阶模态能够基本复原波面形状，前49阶模态含能在97%以上，用完整模态重构的波前与原始波前没有本质差异；模态加权系数及其功率谱随阶数增加而呈下降趋势，前五阶模态加权系数的功率谱尖峰频率与光学窗口中心点脉动速度情况较为一致，对应卡门涡街的主频，斯特劳哈尔数St约为0.22。Zernike-POD方法适用于圆域波前模态分析，也适用于环形域和正方形域，并能够推广到流场结构、图像与信号等处理领域。

利用全矢量有限元法分析了光子晶体光纤(PCF)的结构参量对其本征模场分布的影响。数值计算结果表明, 具有多层空气孔、多层纤芯、大孔间距和大占空比的结构更有利于将光场约束在纤芯中, 纤芯层数、孔间距和占空比的增加均会导致PCF本征模场出现更高阶次的模式。纤芯层数和孔间距的增加会对由占空比减小所引起的功率泄漏进行一定的补偿, 通过减小空气占空比、增加纤芯层数和孔间距, 可实现大模场单模传输的可行性。对于4层空气孔、2层纤芯、占空比为0.01、孔间距为20 μm的PCF, 在保证单模传输的条件下, 纤芯半径可达40 μm, 有效模面积为3717 μm2, 纤芯功率集中度为68.32%。

惯性约束聚变精密物理实验要求高功率激光驱动器具备时域-频域精密调控能力, 以实现对激光与等离子体相互作用过程中非线性效应的抑制。基于保偏光纤和单偏振光纤技术, 采用温度调谐双振荡器结合两级波导相位调制器实现激光脉冲频域精密调控, 采用两级高速电光调制脉冲整形技术实现激光脉冲时域精密调控, 将微波射频信号取样检测与声光开关进行连锁以确保整个系统的安全运行。实验获得了光谱带宽为0.15～0.3 nm、中心波长范围为1052.4～1053.6 nm的连续可调微焦耳级激光脉冲, 波长调谐精度为0.1 nm,在微焦级实现了对比度大于500∶1的高对比度整形激光脉冲, 脉冲时间波形顶部调制深度小于10%。

激光放大系统通常可分为高峰值功率和高平均功率两大类。近年来出现了越来越多同时需要这两种特性的应用, 即要求系统能输出高峰值功率激光, 能高效、高重复频率的工作, 并具有高能量转化效率。针对不断增长的应用需求, 相干放大网络(ICAN)计划基于啁啾脉冲放大、光纤分束放大和相干合束技术解决了高功率激光脉冲在光纤中的非线性损伤等限制功率提升的关键问题, 在获得更高能量和峰值功率的同时避免了光纤中非线性效应导致的波形畸变, 为突破若干限制高峰值功率、高重复频率脉冲激光系统发展的关键障碍提供了解决途径。光纤放大网络的可定标放大特性为许多新的应用提供了解决方案, 如基于激光的粒子加速器、激光驱动核废料处理、地球轨道碎片清理和激光驱动聚变能等。

研究了一种用于惯性约束聚变激光驱动器的纳秒级、高精度整形激光脉冲产生技术。采用中心波长为980 nm的激光二极管作为参考光, 以自动调控幅度调制器的偏置工作点, 实现了脉冲工作体制的幅度调制。基于高速电光调制技术, 采用两级幅度调制器设计了主振荡功率放大型全光纤激光脉冲产生装置。其中, 第1级幅度调制器用于对输入连续运转的单纵模激光进行初始精密脉冲整形, 第2级幅度调制器用于对激光脉冲进行二次精密整形和时域噪声抑制。实验研究表明, 该激光脉冲产生装置可输出脉冲宽度在“0.1~50.0 ns”范围内连续可调、对比度大于20001的高精度任意整形激光脉冲, 满足了激光脉冲产生装置较强脉冲控制能力的要求。