在高功率激光装置的预放系统中，高增益放大单元提供超过106的增益倍数，极易形成自激振荡，降低光束放大倍数、破坏光学元件。基于高功率固体激光系统自激起振的主要判据，通过分析钕玻璃高增益系统损耗与增益的大小，研究了神光Ⅲ原型装置高增益放大单元的自激振荡问题。分析了系统可能存在的自激振荡腔，指出系统可能存在3个起振的振荡腔。通过采取钕玻璃端面引入倾角、适当的光路调节、加隔离和电光开关等方法，在一定程度上抑制了自激振荡，进行了相应的实验验证，实验结果表明通过上述措施基本消除了自激光问题。

大型高功率固体激光装置通常要求总的打靶精度为几十微米，这对结构的稳定性设计提出了很高的要求。本文以一大型激光装置为背景，以关键光机系统为例进行稳定性设计。通过采用钢筋混凝土建筑结构、一体化结构和桁架结构、隔离振动源增加结构刚度等方式减小光机结构对环境振动的响应，提高结构的稳定性。然后，应用有限元理论对关键光学元件及其支撑结构的稳定性进行分析，以验证光机结构设计的合理性。分析结果显示，该系统中腔镜的最大转角为0.14 μrad，注入系统角漂元件的最大转角为0.423 μrad，光束切换模块反射镜的最大转角为0.394 μrad。计算结果表明：设计的结构合理可行，关键光学元件均满足稳定性设计指标的要求，且裕度系数＞1.5。

从某高功率固体激光装置的实际需求出发, 优化设计了能够满足装置需求的组合透镜组, 并基于公差分析给出了各组组合透镜加工装配的公差要求, 为组合透镜在高功率固体激光装置中的工程应用提供了有力的支持。组合透镜在高功率固体激光装置中的应用对降低装置工程造价和提高光路的稳定性有较大意义。

基于神光-Ⅲ原型装置上自适应光学系统应用获得的理论和实验结果, 研究了其中的主要科学技术问题, 提出了相应的解决方法, 通过实验验证了其有效性。为满足未来大型高功率固体激光驱动器的波前补偿要求, 理论上研究了自适应光学系统与连续相位板(PP)相结合的补偿方案。采用数值模拟的方法研究了“大口径变形镜(DM)＋1块连续相位板”和“小口径变形镜+2块连续相位板”两种方案的波前补偿能力。模拟结果表明, 采用“小口径变形镜+2块连续相位板”的方案能有效地实现全光路系统波前畸变控制, 同时还可以兼顾物理实验对焦斑尺寸和均匀性的要求, 为未来高功率固体激光驱动器波前补偿方案设计提供理论依据。

重点研究了高功率固体激光装置自适应光学系统的两个主要应用问题,包括波前传感器参考波前在线标定和预补偿方式下激光过滤波器小孔堵孔问题。文中对两种不同的在线标定方法进行了研究,分析各自的优缺点,结合自适应光学系统的校正对象确定合适的标定方法和标定结果。针对小口径注入位置预补偿的自适应光学布局方案,对影响过滤波小孔的主要因素进行了研究,并从自适应光学系统控制和激光器运行流程两个方面提出了解决方案,获得较好的实验结果。

为了设计能够满足高功率固体激光装置需求的空间滤波器透镜,采用矩阵光学方法,分析光束经过单透镜传输时剩余反射形成各阶鬼像的过程,得到鬼像位置与透镜曲率半径的关系式。该关系式表明,透镜的曲率半径设计可以控制鬼像所在的区域。根据高功率激光装置光路排布的特点简化鬼像分析,利用自行开发的鬼像追迹软件分析了主放大级鬼像分布特点。通过改变透镜的曲率半径和倾斜透镜这两种方式,基于鬼像规避和像差最小化两种原则,最终确定主放大级透镜曲率半径的最优选择为1∶3弯月型,凸面朝向光学元件集中的方向。该方法可普遍应用于指导高通量复杂光学系统的透镜设计。

在激光惯性约束聚变研究过程中，激光驱动器打靶系统的光束谐波分离技术是驱动器建造研究的重要内容之一。根据高功率固体激光驱动器的发展历程，介绍了几种目前世界上正在应用的光束谐波分离技术，并对这些光束谐波分离方法的优缺点进行了对比分析。结合我国激光驱动器谐波分离技术的发展现状提出了将来的发展方向。这对大型激光驱动器的建造具有一定的指导意义。