提出一种全面分析光学薄膜损伤特性的方法,根据热传导理论与电子增殖理论建立激光辐照下多层介质膜的损伤理论模型。以HfO₂/SiO₂ 多层高反膜为例,计算红外纳秒脉冲激光作用下膜系内部的温度场、应力场以及自由电子数密度分布,对其热学特性与电子增殖特性进行综合评估后,得到不同输入条件下膜系的损伤阈值。结果表明,薄膜材料的损伤特性会受到驻波场的影响,在1064 nm波长的激光辐照下HfO₂/SiO₂ 多层介质薄膜的热致应力损伤效应先于热熔融效应先于场效应发生,且薄膜中SiO₂层发生热损伤,而薄膜并未发生场损伤,此外薄膜的损伤阈值随着激光脉宽的增大而增大。

高功率激光器的建造需要大量的高精度光学平板,其波前检测一般采用相移干涉技术。由于测试光在光学平板内的多次反射,存在由寄生干涉导致的死条纹现象。死条纹会在波前检测结果中引入周期性相位噪声,极大降低了波前检测结果的置信度。针对该问题,提出了一种基于小波变换的降噪方法,可根据死条纹噪声特征对波前检测结果进行降噪,不需要额外硬件或调整测试状态。实验结果表明,该方法可以有效滤除死条纹引入的相位噪声,且能很好地保留加工特征。

为测量光学平板玻璃折射率,提出一种改进的基于迈克耳孙原理的折射率测量方法。利用短相干光源的空间相干性,结合距离测量工具,可准确获得光学间隔间的距离。分别测量放入样品前后以及按照一定角度旋转样品后的光学距离,同时利用折射定律,可以计算得到光学平板玻璃的折射率。提出了一种迭代计算方法,不需要直接求解一元四次方程,实现了折射率的快速计算。分析距离和角度测量误差以及样品平行度引入的误差可知,本文方法折射率测量误差优于5×10 ^-5。与V棱镜折射率测量方法进行比较,结果验证了本文方法的正确性。

针对大口径非球面透镜透射波前检测,提出了采用计算全息元件(CGH)作为光路相位补偿元件进行检测的方法。大口径非球面透镜透射波前通常采用球面干涉仪进行检测,为了达到零位检测的目的,在光路中往往需要加入相位补偿元件以补偿高阶像差(HOA)。传统的折射式相位补偿元件的精度溯源比较困难,导致检测数据缺乏可信度。将CGH作为相位补偿元件可达到零位检测的目的。针对大口径非球面透镜的透射波前检测,设计并加工了相应的CGH作为相位补偿元件,并与传统的折射式补偿元件进行了对比测试。测试结果表明:两种相位补偿方法的测试数据具有良好的一致性,峰谷(PV)值的差值为0.034λ(λ为检测光的波长),均方根(RMS)值的差值为0.006λ,因此CGH作为相位补偿元件具有相当高的测试精度。

为实现大口径光学元件波前功率谱密度(PSD)的高精度、低成本检测,提出了一种将干涉与拼接技术结合的检测方法。推导了波前PSD的计算方法,提出了基于相关匹配的子孔径拼接算法,分析了拼接干涉检测的误差来源。对拼接检测算法进行了仿真验证,结果表明,拼接检测的波前畸变峰谷值(d_pv)与PSD的均方根值(P_RMS)的相对偏差分别为1.2%和0.1%。采用口径为620 mm×450 mm光学元件开展了5次拼接检测实验,比较了拼接检测与全口径直接检测结果,两者分布一致, d_pv偏差不大于0.012λ(λ=632.8 nm),P_RMS偏差不大于0.03 nm,表明该算法稳定可靠,可实现大口径光学元件波前PSD的拼接检测。

KDP/DKDP倍频晶体是惯性约束聚变系统中的关键元件, 其主截面方向与晶体相位匹配角、晶体吸收系数紧密相关。为了实现KDP/DKDP倍频晶体主截面方向的高精度定位, 本文提出一种光强测量间接定位方法。通过激光器结合稳功率仪及半波片输出稳定线偏振光, 同时旋转相互正交的起偏器与检偏器可获得晶体的最佳消光位置即为主截面方向。推导了该测量系统光强的琼斯矩阵模型, 给出了光强与起偏器、检偏器角度间的关系表达式。采用最小二乘方法拟合经过起偏器、倍频晶体及检偏器的光强变化曲线, 从而可精确定位倍频晶体主截面的方向。通过计算机仿真模拟和实验验证了该方法的正确性和可行性。实验表明, 该方法定位的重复测量精度优于0.02°, 满足惯性约束聚变系统中KDP/DKDP倍频晶体主截面的定位控制精度要求。

考虑惯性约束聚变系统中的磷酸二氢钾/磷酸二氘钾(KDP＼DKDP)的吸收系数直接影响系统的转换效率及最终输出能量, 本文研究了KDP＼DKDP倍频晶体吸收系数的测量方法。提出了新的基于朗伯定律的倍频晶体吸收系数斜入射测量法。建立了斜入射状态下入射光偏振态与晶体o光和e光的关系模型, 推导了小角度入射下晶体e光折射率的迭代计算方法。采用该方法计算了晶体的e光折射率, 通过测量得到的数据间接计算出了KDP＼DKDP倍频晶体吸收系数。详细分析了该方法在测量过程中的各项误差来源, 得出该方法测量误差优于0.000 2 cm-1。最后, 对一块40 mm×40 mm×60 mm的开关晶体元件进行测试并与分光光度法比对以验证提出方法的可行性, 结果显示两种测量方法的偏差小于0.000 2 cm-1, 表明该方法可用于惯性约束聚变系统中倍频晶体吸收系数的测量。

为了高精度地检测长焦透镜的透射波前, 提出了在Zygo干涉仪的平面光路中加入一个二元衍射元件提供参考波前的计算全息法(CGH)。介绍了计算全息法检测长焦透镜透射波前的理论, 设计并研制了高精度计算全息板, 并将其用于大口径长焦距透镜透射波前检测。理论分析和实际检测结果表明: 该方法系统误差小, 测量重复性精度优于0.004 λ(2σ RMS), 与常规的菲索干涉法测量球面透镜透射波前得到的结果一致, 从而验证了提出测量方法的可靠性。最后, 详细分析了二元衍射元件的制造误差对透射波前检测的影响, 得到测量误差(PV)小于λ/10。文中的结果表明提出的计算全息法可有效缩短光路, 提高测量精度, 对长焦透镜波前检测有重要的应用价值。

使用高精度数字应力仪测量光学玻璃的应力双折射，给出整体应力分布及大小。实验表明温度及重力对材料/玻璃的应力双折射分布和大小有非常明显的影响，相对初始测量结果，应力双折射最大值减少了83%，均方根（RMS）值减少了87%；且在温度趋于稳定时，重力的作用使得材料应力双折射的最大值增大了68%，RMS值增大了90%。对光学材料/玻璃应力双折射的高精度数字化检测对于光学加工和使用具有重要的指导意义。

提出了一种基于两平板绝对检验的迭代面形恢复算法。算法基于两平板互检方法，通过分别翻转和旋转其中一块平板，获得4次两两测量结果。对测量得到的4个结果数据进行翻转和旋转逆操作，直接推导出三个面形与测量结果及相互之间的关系公式。设置初始面形，逐次迭代逼近4次测量结果。实验表明，该方法仅需要50次以内迭代，即可得到偏差小于0.1 nm均方根值的绝对面形。详细分析了实验过程中的各项误差来源，并对每项误差进行了定量计算，获得总的测量误差为1.417 nm。