光谱色散匀滑(SSD)光束的焦斑动态特性是联系激光等离子体不稳定性(LPI)和高功率激光装置性能的重要纽带。为了提升对SSD光束聚焦性能的认知，基于条纹相机的光成像系统，开展了带时间分辨的光束测试实验，获得了SSD光束的焦斑动态图像和演化规律。实验直接演示了SSD光束的焦斑动态特性，沿SSD扫动方向的焦斑图像具有典型的周期余弦扫动特征，扫动幅度、周期等特征与调制频率相关，而垂直SSD扫动方向的焦斑的时空分布则较为杂乱，不再具有典型的余弦扫动特征。另外，实验也表明，SSD光束焦斑有强烈的幅度调制，且调制具有明显的区域效应，调制的大小和SSD扫动方向以及调制频率密切相关。SSD光束焦斑的动态分布特性对光束匀滑性能的分析和优化具有重要指导意义。

透明导电薄膜作电极的普克尔盒电光开关是新一代重频激光驱动系统的理想单元。高重频会在电光晶体内产生热沉积, 引起弹光效应, 热光效应和晶体形变, 使透射光束的波前产生畸变。针对能量千焦耳级, 重复频率16 Hz率的激光系统, 对薄膜电极普克尔盒采用液冷技术进行热管理; 建立普克尔盒的热分析模型, 利用有限元算法, 分别研究晶体厚度和换热系数对波前畸变的影响, 得到晶体厚度的最优值。并模拟了开关晶体上的温度分布、应力分布和机械形变, 分析热光效应、机械形变和弹光效应对光束波前和退偏损耗的影响, 结合波前畸变和退偏损耗的要求得到优化的参数。

透明导电膜电光开关通过合理的结构设计可以实现高效的热管理，是一种理想的高平均功率开关器件。建立了透明导电薄膜电光开关的模型，采用优化的开关设计参数分析开关的时间特性和热效应。仿真结果表明,开关上升时间达到标称时间要求；在高平均功率负荷下，晶体温升所导致的退偏损耗对开关性能的影响很小。该构型的薄膜电极电光开关可以应用于重复频率运转下的高功率激光系统。

为了研究低温条件下Yb:YAG放大器的增益和热特性，搭建了一套液氮冷却的低温放大器，开展了实验研究。测量了不同泵浦强度下的小信号增益以及低温和常温下的介质热致波前畸变。结果表明:低温条件下，可以用更少的泵浦能量得到高于常温的增益;常温下泵浦电流200 A、脉冲宽度1200 μs的小信号增益为1.59;低温下泵浦电流200 A、脉冲宽度400 μs的小信号增益为1.82，光光效率显著提高。自发辐射放大(ASE)问题在低温下更加显著，采用短脉冲泵浦有利于降低ASE的影响。低温的热管理效果较常温有显著提高，可以在更高的平均功率下运行。

大口径倒腔式等离子体开关是神光Ⅱ升级装置倒腔式多程放大方案的关键单元，该方案要求等离子体开关能够在极短的时间内完成工作状态的转换。采用正负开关脉冲驱动的等离子体开关响应时间较长，无法满足装置的使用要求。基于Blumlein脉冲形成线结构的高压低阻抗开关脉冲发生器能够实现倍压输出，使单一脉冲驱动等离子体开关成为可能，从而大幅减小开关响应时间。单一脉冲驱动的350 mm×350 mm口径倒腔式等离子体开关理论充电时间约为54 ns，其开关响应时间可做到小于90 ns。实验测得的等离子体开关全口径开关效率大于99.7%，静态消光比大于381，时间窗口顶宽大于160 ns，底宽小于400 ns，上述指标均满足神光II升级装置的使用要求。

在高能重复频率运转的激光系统中，用作激光隔离、多程放大控制的关键单元普克尔盒遇到了通光口径限制与热效应的双重挑战。采用等离子体电极技术将普克尔盒定标到大口径，通过选择吸收系数小且通光方向薄的KD*P作为电光晶体以减少对激光的吸收，并在此基础上数值分析了等离子体普克尔盒的热效应。提出了端面传导冷却电光晶体的热管理方法，并进行优化设计。数值模拟结果显示，采用单块白宝石传导冷却2块KD*P，普克尔盒的驱动电压可降低至27 kV。在平均功率密度35 W/cm2的激光持续辐照下，端面传导冷却的40 mm×40 mm口径等离子体普克尔盒全口径内最大退偏损耗为0.22%，波前峰谷（PV）值为0.60 λ。

利用广义非线性薛定谔方程, 研究了聚焦激光通过透明介质时, 感应等离子体的位置、大小及其同激光参数的关系。计算发现：对于给定衍射长度的激光波包, 感应等离子体浓度最大值随入射激光功率的增加而趋于一恒定值, 感应等离子体区域的大小随着入射激光波包功率的增加而变长、变粗; 对于给定功率的激光波包, 感应等离子体浓度随着入射激光波包的衍射长度的增加而减少; 对于不同衍射长度的激光波包, 随着激光功率的增加, 感应等离子体向不同方向发展。计算得到的等离子体的位置和形状的变化同Gordienko等的实验结果非常吻合。该研究有助于理解感应等离子体在介质中的形成过程, 推动其在激光加工中的应用。

建立了平均功率激光辐照下，边界主动加热的电光晶体内3维各向异性热传输有限元模型及其热应力双折射模型，在此基础上分析了等离子体普克尔盒热效应。提出了边界主动加热控制电光晶体横向温度梯度热管理思想，并给出平均功率普克尔盒的光开关性能。结果表明：对于50 J/10 Hz、光束口径为50 mm×30 mm的激光系统，普克尔盒最大退偏损耗为3.58%，平均退偏损耗为0.9%，波前畸变为1.59λ。采用边界加热控制后，当加热功率密度为500 W/m2时，最大退偏损耗为0.17%、平均退偏损耗为0.05%、波前畸变为0.26λ，普克尔盒热效应显著降低，满足设计要求。