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。

针对强激光系统所需大口径非球面元件高精度、批量化的加工需求, 提出了一种气囊抛光技术与柔性沥青小工具抛光技术相结合的大口径非球面元件高效制造方法。采用气囊抛光技术进行非球面保形抛光和快速修正抛光, 实现磨削缺陷层快速去除以及低频误差快速修正。采用柔性沥青工具匀滑抛光技术, 在低频误差不被恶化的情况下, 控制元件中高频误差。在抛光过程中, 利用球面干涉仪搭建的自准直波前干涉检测系统和粗糙度仪对非球面元件进行全频段误差检测。基于上述加工与检测方法完成了430 mm×430 mm口径离轴非球面透镜样件实验加工, 实验结果为元件通光口径内透射波前PV=0.1λ, GRMS=5.7 nm/cm, PSD1 RMS=1.76 nm, PSD2 RMS=1 nm, Rq=0.61 nm, 并且中频段功率谱密度曲线均在要求的评判曲线之下。实验结果表明, 离轴非球面透镜样件全频段指标均达到了合格指标要求。所述制造方法也适用于其他类型大口径非球面光学元件的高精度加工。

采用高质量的标准位相结构是实现光学干涉检测系统的系统传递函数精确校准及保证光学元件波前/表面中高频段信息准确检测的前提.通过对二元伪随机光栅结构和台阶位相结构两类典型表面进行模拟,分析了空间周期误差及跃变边缘陡度等制造误差对于检测系统传递函数校准的影响,并分析了检测系统CCD对二元伪随机光栅欠采样和过采样时功率谱密度(PSD)的变化.结果表明:存在同等制造误差时,二元伪随机光栅结构比台阶位相结构对检测系统传递函数中高频能够实现更高精度的校准;当对二元伪随机光栅存在欠采样或过采样时,均会造成PSD随频率的下降,可通过对理想二元伪随机光栅的高度分布进行相应的采样修正消除因采样对传递函数校准的影响.

为了提高惯性约束聚变（ICF）激光装置中连续相位板（CPP）的焦斑性能，建立了波前畸变下连续相位板焦斑的理论计算和分析模型，并根据CPP使用条件搭建了三倍频大口径CPP远场离线测试系统。对加工330 mm×330 mm 口径的CPP和波前畸变元件进行了理论计算和离线测试实验的对比研究。理论计算和实测的焦斑形貌、参数数值均非常一致，验证了计算模型的正确性和实验系统的可靠性。理论和实验结果一致表明，波前畸变对CPP焦斑性能的影响非常严重，当弥散斑为0.5倍CPP焦斑时，畸变量已对CPP焦斑形貌产生了很大影响，能量利用率下降值大于4%，焦斑半径增大超过20 μm，陡边阶数下降1.3阶，不均匀性均方根(RMS)值下降6%，旁瓣份额增长超过0.5%。

为了准确测试和评价大口径连续相位板(CPP)元件的远场光强性能，根据激光装置需求建立了351 nm波长下大口径CPP远场光强离线测试系统，开展了330 mm × 330 mm口径CPP元件测试实验，并与标量衍射计算结果进行对比，分析了系统的测试重复性和测试精度。实测系统远场弥散斑大小为2.9倍衍射极限，可测试最大口径为圆形600 mm和方形430 mm × 430 mm。测试系统在焦点±2 mm范围内的能量集中度测试重复性优于0.2 %。计算和实验焦斑形貌及分布吻合，实测能量集中度比计算结果小0.85%、焦斑半径大13 μm左右，差异由实测系统的时间匀滑作用引起，可通过缩短曝光时间和减小系统像差等措施进一步提高测试精度。

大口径光学元件中频波前的准确评价已成为高功率激光系统中关注的焦点，元件中频波前均方根值是重要评价指标之一。根据波前中频检测频段及波前检测设备频响特性，将波前的中频区域分为两个检测频段，分别采用干涉仪和光学轮廓仪实现了中频波前均方根值的检测。采用大口径干涉仪可实现全口径波前中频区域低频段波前的检测，通过比对大口径干涉仪和采用小口径干涉仪结合分块融合平均方法的检测结果，提出采用分块融合平均方法也可检测相应频段全口径波前均方根。采用光学轮廓仪通过离散采样的方法检测大口径元件中频区域高频段波前均方根，针对不同离散采样方式的实验结果表明: 3×3的采样方式能满足对410 mm×410 mm口径元件中频区域高频段波前均方根的检测。

对大口径连续相位板(CPP)在子孔径拼接检测过程中存在的几种影响检测精度的主要因素,包括定位误差、系统误差和拼接模式等进行了归纳并分析了其对检测精度的影响权重。通过对子孔径重叠区域分布的均匀性计算，分析了检测误差对拼接质量的影响。结果表明，定位误差是影响CPP拼接精度的主要原因，而对系统误差进行有效处理可以进一步减小重叠区非均匀性，拼接模式的选择对CPP的拼接结果的影响有限。通过CPP深度特性对重叠区域均匀性的统计分析表明，在像素级别的检测中，重叠区域均方根残差随着CPP深度的增加而线性增加，即拼接精度随CPP深度的增加而降低。

在惯性约束聚变(ICF)研究过程中，焦面上聚焦光斑形态要求极为苛刻。基于离线测试平台，从实验上研究了各种应用误差对连续相位板(CPP)远场焦斑能量集中度的影响。得出光束旋转误差、口径误差、平移误差和倾斜误差在可控范围内CPP远场焦斑能量集中度均高于95%，其波动范围小于0.5%，CPP的容忍度较强。而实验畸变波前属于空间频率小于0.02 mm-1的低频波前，严重影响了CPP的整形能力，波前畸变是影响能量集中度高于90%的主要因素。

基于全局最小二乘拼接算法和图像融合算法建立了连续相位板(CPP)子孔径拼接检测算法，并根据全局相关匹配原理提出采用面形残差来评价CPP的加工面形。采用高精度动态干涉仪等设备建立了相应的检测系统，并针对430 mm ×430 mm口径CPP开展了数值模拟和检测实验。理论计算结果表明：系统计算误差为0.005 nm。实验结果表明,整个检测系统软硬件RMS误差小于5 nm，基本满足CPP面形检测要求。从而验证了CPP检测和评价的正确性和可行性。

基于传统抛光的亚表面损伤层厚度，进行磁流变去除亚表面损伤层的实验以便验证在该加工方式下对元件中频误差的影响。计算机模拟结果及实验数据表明：磁流变加工的走刀间距会引起中频误差评价指标PSD曲线出现对应频率的峰值；抛光斑的不稳定性会引起PSD曲线出现不确定的次主峰；去除深度与PSD曲线峰值之间有近似的线性关系。采用磁流变作为亚表面损伤层的去除手段，元件的中频误差质量受加工参数影响很大。如果前级加工不佳导致留下的亚表面损伤层较深，用磁流变加工进行去除时会造成中频误差质量超过限定指标。