超短超强脉冲激光是目前世界上在实验室内产生超高能量密度、超强电磁场和超快时间尺度的综合性极端物理条件的重要手段。在对超短超强脉冲激光发展现状和趋势分析的基础上，针对高能量密度物理等前沿基础科学实验研究多样化的需求，提出研制不同脉冲宽度、三种脉冲激光（两束输出功率为10 PW的飞秒激光、单束输出功率为1 PW@1 Hz的飞秒激光、单束千焦耳皮秒激光和单束万焦耳纳秒激光）协同输出至4个物理实验站形成不同工作模式，实现多种加载-诊断物理实验功能的星光超强激光装置（XG-ELF）的设想。对XG-ELF装置的物理实验设想和主要设计结果进行介绍。建成后的XG-ELF装置将为我国高能量密度物理前沿基础领域中的研究提供先进的研究平台。

在InGaN/GaN多量子阱(MQW)中存在较大的压电极化场,由此引起的量子限制斯塔克效应(QCSE)会造成电子空穴的辐射复合率下降。设计生长了具备InGaN应变层的MQW结构以减弱极化场,并进行了变温、变激发强度的光致发光谱实验,结果表明,引入应变层后的MQW内量子效率有所提高。对峰值能量蓝移量的分析表明,应变层有效减弱了QCSE,明显增加了对应电致发光谱的峰值强度。验证了InGaN应变插入层具有应力调制的作用,有利于提高MQW的发光效率,改善器件性能。

B积分判据自从建立后,一直是大型激光驱动器控制非线性效应的基本设计判据。综述了针对国家点火装置建立两个B积分判据的实验过程和模拟过程,解释了B积分判据的原理和产生条件,指出了B积分判据的适用性以及存在的问题,得出了两个B积分判据并不完善的结论。要准确地确定适用于当前大型高功率固体激光装置的B积分判据,应当综合考虑当前激光装置的实际条件,开展相应的实验和模拟。

为了减弱InGaN/GaN量子阱内的压电极化场, 在蓝紫光InGaN/GaN多量子阱激光器结构中采用了预应变InGaN插入层, 通过变温电致发光和高分辨X射线衍射测量研究了预应变插入层对量子阱晶体质量和发光特性的影响。实验结果显示, 常温下有预应变层的量子阱电致发光谱积分强度显著提高。模拟计算进一步表明, 预应变层对量子阱内压电极化场有调制效果, 有利于量子阱中的应力弛豫, 可以有效减弱量子限制斯塔克效应, 有助于提高量子阱的发光效率。

理论阐述了光谱色散匀滑(SSD)技术的物理内涵,即SSD的焦斑匀滑效果来源于远场基元电场相位随时间的演化,在实际应用中不存在“运动”焦斑的物理图像。在此基础上,建立了远场强度分布形式不变但空间位置随时间变化的“强度扫动”光束的理论模型,通过数值模拟研究其匀滑特性,并与SSD的匀滑效果进行了对比分析。

在激光驱动惯性约束聚变研究中, 激光等离子体相互作用是影响点火的重要原因之一; 为了抑制激光等离子体的不稳定性, 诸多光束匀滑技术应运而生, 并得到广泛应用。为了获得更匀滑的焦斑, 提出集束多频调制光谱色散匀滑(SSD)技术, 并对其进行了理论研究; 该技术采用多束激光集束聚焦打靶, 利用单频调制单光束, 利用不同的频率调制不同的子束。结果表明, 该技术可以有效抑制多光束干涉导致的强度调制, 改善了远场光强分布的均匀性, 并且在采用更接近实际情况的色循环数时, 具有比传统多频调制SSD技术更好的匀滑效果。

涡旋光束因其特殊的空间结构，在光通信、光与物质相互作用、激光加工等领域具有广阔的应用前景，对揭示极端强场条件下的原子物理新现象、新效应等具有重要的意义，同时有望为控制物理系统带来新的方法。对近年来国内外高功率涡旋光束的主要产生方法的研究进展进行了调研，对每种方法的原理进行了简要介绍，并对各个方法的优势与不足进行了对比分析，针对个别问题提出了相应的改进设想。

研究了光学涡旋在光纤中传播特性。从Maxwell方程出发，推导光波导中的波动方程，并进行阶跃光纤传输的本征模式求解，根据光学涡旋模式(OAM模)和线偏振模式(LP模)与矢量模式之间的关系，解出光学涡旋以及线偏振模在光纤中的模式分布，理论分析了光学涡旋在光纤中较LP模的传播优势，并通过计算模拟其在弯折光纤中的传播过程，发现其光场强度空间分布具有周期性旋转特性。研究光纤弯曲半径以及涡旋拓扑荷对光学涡旋传播的影响。光纤弯曲半径越小，传输损耗越大；涡旋拓扑荷越大,传输损耗越大，对应的旋转周期越小。

对高功率固体激光装置中, 光学元件波前经过变形镜校正后的梯度均方根指标开展了研究。建立了变形镜校正效果的等效分解方法, 分析了校正波前的部分相干叠加特性, 对校正波前的梯度均方根与焦斑尺寸的对应关系进行了研究。解决了在有变形镜校正时, 如何制定元件波前梯度均方根指标的问题。研究结果对高功率固体激光装置的光学元件波前指标制定有指导意义。

为研究大口径N31钕玻璃多程激光系统的储能与激光通量和损耗的关系，根据激光放大理论解析解阐述了理论上的最大抽取效率和影响因素；提出采用集中损耗近似方法分析钕玻璃多程激光放大系统的初始储能分配特性(抽取能量、体损耗和剩余储能)，数值模拟表明在目前的增益和损耗条件(小信号增益系数约为0.05 cm-1，动态吸收系数约为0.004 cm-1)下当输入激光通量约为3.5倍饱和通量时可获得最大抽取效率；以典型实验结果为例，利用经过实验考核的传输放大模型给出了大口径N31钕玻璃系统中各钕玻璃片的抽取能量/抽取效率，激光通量与饱和通量的定量关系：在19.5 kJ/5 ns/1053 nm输出点，单片最大抽取能量约为1.4 kJ，此时累计输入激光通量约为3.3倍饱和通量，系统输出效率约为51%(相对光束口径内储能)。