高功率激光装置是一个复杂的有源巨型光学工程，其性能指标要求逼近科学技术与物理极限。驱动器研制有物理设计、工程光学和结构工程设计三大过程，工程光学在其中起着重要作用。高功率激光装置工程光学设计需遵循其特有的设计原则和要点，以保证装置的高性能。根据驱动器设计指标和设计特点，从总体光学设计、光束质量控制以及光束打靶精度控制方面，综述了高功率激光装置工程光学设计中的关键科学技术问题以及相应解决方法，为未来高功率激光驱动器的发展提供必要的工程设计参考。

在计算机控制光学表面抛光中,高斯形状的去除函数是一种理想的去除函数,然而传统的双转子运动抛光产生的去除函数与高斯形状有较大偏差,不够平滑,因此会在被抛光表面引入较大的中频误差,影响高功率激光系统的性能。针对该问题,在传统双转子抛光的基础上,本文提出了偏心双转子运动抛光技术,并建立了数学模型。理论分析表明,偏心双转子抛光可以产生更加接近高斯形状的去除函数。对各关键参数进行优化,理论上获得了拟合优度(R²)达到0.9986的高斯型去除函数。进行了偏心双转子定点抛光实验和光栅轨迹数控抛光实验,定点抛光实验中获得了R²=0.9895的高斯型去除函数,验证了理论分析的正确性;光栅轨迹数控抛光实验证明了偏心双转子抛光技术较传统双转子抛光技术对中频误差有更好的抑制作用。

为了改善氧化铈抛光液的性能,在不破坏钕玻璃表面质量的前提下提高钕玻璃的抛光效率,选择在氧化铈抛光液中加入阴离子表面活性剂雷米邦A,并研究了改性后的抛光液对氧化铈抛光液中粒子粒径、钕玻璃的材料去除率和抛光后钕玻璃表面质量的影响,分析了加入不同质量分数雷米邦A的抛光液在不同pH值下对钕玻璃抛光速率和抛光质量的影响。结果表明:雷米邦A能够抑制抛光液中纳米粒子的团聚,降低氧化铈的中位粒径,提高抛光效率。当二氧化铈质量分数为3%、pH为6.5、雷米邦A质量分数为0.30%时,材料去除率达到最大值169 nm/min;当二氧化铈质量分数为3%、pH为7、雷米邦A质量分数为0.20%时,钕玻璃的表面粗糙度达到最小值0.9 nm。

通过在石英玻璃的抛光过程中引入α-Al2O3颗粒,对抛光过程中石英工件表面产生的划痕类型和收尾阶段不同粒径杂质颗粒产生的划痕长度进行分析,同时研究了抛光液质量分数和抛光盘结构对石英玻璃抛光质量的影响。结果表明:杂质颗粒需要盘面提供足够大的支撑力才能在工件表面产生划痕,而杂质颗粒所受盘面的支撑力大小取决于其位置高度和共同参与受力的基质颗粒数量;杂质颗粒的位置高度很难掌控,但在相同工艺条件下,使用质量分数为6%的抛光粉和具有多微孔结构的沥青抛光盘可以有效降低划痕的产生概率,并且不会导致抛光表面粗糙度变差或过度影响抛光效率,对实际加工生产有指导意义。

针对高功率激光系统中传统小工具抛光方式带来的较大中频误差影响高功率激光系统稳定性和可靠性的问题,提出了基于简谐运动的复合摆动轨迹抛光方法,并建立了数控多杆机构复合摆动轨迹抛光系统;根据小工具抛光基本原理可知,规则、有序的平转运动轨迹是引入中频误差的重要原因之一。为了提高生成去除函数轨迹的复杂性,提出了基于复合摆动轨迹的去除函数模型,研究了复合摆动轨迹抛光的基本过程和离散化计算方法;选择合适的工艺参数和去除函数轨迹,进行了基于复合摆动轨迹的去除函数与基于传统平转运动的去除函数的对比加工实验。结果表明:通过干涉仪测量可知,复合摆动轨迹加工方法得到的面形干涉条纹比平转运动的更光顺,且无毛刺;在50 mm×50 mm范围内,复合摆动轨迹加工面形的功率谱密度曲线低于平转运动的功率谱密度曲线,整体加工效果优于传统平转运动;基于复合摆动轨迹的数控多杆抛光系统相对于传统平转工艺能有效抑制中频误差。

为了抑制抛光粉纳米颗粒的团聚, 改善抛光液的性能, 使光学玻璃获得更高的抛光速率与更低的表面粗糙度, 在氧化铈抛光液中添加阴离子表面活性剂梅迪兰, 研究了梅迪兰质量分数对抛光液中粒子粒径、分散性以及材料去除率和抛光后光学玻璃表面粗糙度的影响。结果表明: 微量梅迪兰能显著改善抛光液中粒子的分散性, 抑制纳米粒子的团聚, 提高抛光液的质量; 当梅迪兰质量分数为0~0.32%时, 随着质量分数增大, 化学机械抛光速率先增大后减小, 当质量分数为0.26%时达到最大值122 nm/min; 玻璃的表面粗糙度随着梅迪兰质量分数增加而先减小后增大, 在质量分数为0.13%时达到最小值0.928 nm。

针对环形抛光中抛光盘的面形难以精确控制的问题, 以Preston方程和Winkler假定为基础, 建立光学元件抛光的基本模型, 通过理论分析和计算机模拟与实验, 深入研究环形抛光的系统特性。结果表明, 系统存在一个保持盘面面形不变的状态, 此时的状态为系统的平衡状态, 在平衡状态下抛光工件时无需调整校正板位置即可连续获得高精度平面; 在不同的工况下, 系统平衡状态对应的校正板位置不相同, 应用建立的模型定量研究平衡状态下校正板位置与工件尺寸的关系。实验证明在平衡状态下抛光工件时工件的面形精度和加工效率都得到了提高。

针对传统方法抛光高功率激光实验中使用的长焦距列阵透镜单元遇到的检测困难、一致性差等问题，提出了采用环形抛光的新方法。对环形抛光系统的理论分析表明，抛光盘面形可以稳定在球面状态。利用这种特性，环形抛光法可以抛光小曲率球面。阐述了抛光盘面形的调节方法。利用0.69 m 环形抛光机对口径45 mm、曲率半径57207 mm 的列阵透镜单元进行了抛光，结果表明面形精度和一致性均优于平面摆动式抛光法。最后对环形抛光机可抛光的球面曲率半径范围进行了探讨，发现盘面尺寸越小球面抛光能力越强，直径0.8 m 的盘面可抛光的曲率半径可低至10 m。

针对传统方法抛光高功率激光实验中使用的长焦距列阵透镜单元遇到的检测困难、一致性差等问题，提出了采用环形抛光的新方法。对环形抛光系统的理论分析表明，抛光盘面形可以稳定在球面状态。利用这种特性，环形抛光法可以抛光小曲率球面。阐述了抛光盘面形的调节方法。利用0.69 m 环形抛光机对口径45 mm、曲率半径57207 mm 的列阵透镜单元进行了抛光，结果表明面形精度和一致性均优于平面摆动式抛光法。最后对环形抛光机可抛光的球面曲率半径范围进行了探讨，发现盘面尺寸越小球面抛光能力越强，直径0.8 m 的盘面可抛光的曲率半径可低至10 m。

对环形抛光法加工大小口径工件面形不一致的问题进行了研究。在0.69 m 环形抛光机上发现，φ100 mm 工件面形微凹时，φ48 mm 工件为峰谷(PV)值0.336 λ(λ = 632.8 nm) 的凸面形。利用Winkler假定和Preston方程对工件的面形进行了研究，发现倾覆力矩是引起面形不一致的主要原因。对于圆形工件的理论计算结果表明，当工件和抛光盘之间的摩擦系数与分离器对工件的作用力合力的高度的乘积大于工件直径0.125 倍时，工件将会变凸。对工件进行了加压、润滑和降低工件支撑位置等实验，发现加压不能改善工件面形一致性；在抛光液中添加润滑剂后一致性有了一定的改善，φ48 mm 工件PV 值降为0.128 λ ；而降低工件支持位置后，大小口径工件面形不一致性问题得到了解决，φ48 mm 工件PV 值降为0.058 λ ，且变为微凹面。此结果表明抛光盘与工件的摩擦系数不能太大，且分离器对工件的支持位置应尽量靠进盘面。