相较于传统的二维频率选择表面, 三维频率选择表面能产生更多谐振点而提供更大带宽, 更容易达到小型化的要求, 能够提供更稳定的频率响应, 因而成为研究热点。本文提出了一种多级正交菱形结构的新型三维频率选择表面, 其基本单元结构是正交的菱形金属丝, 在其外部注入介电常数为2.2的聚合物作为支撑。入射角在0°~50°的条件下具备9.2 GHz共同带宽, 相对带宽超过50%, TE和TM极化的最大插入损耗皆不超过1 dB。该结构具备三个谐振点, 形成原因分别为正交菱形金属结构的谐振、结构和介质端面相互耦合产生的谐振, 以及介质端面的一阶法布里-珀罗谐振。通过调节介质的介电常数, 可利用更高阶的法布里-珀罗谐振进一步设计出通宽更宽的空间滤波器。考虑到工程应用, 文中也评估了此设计对天线远场方向图的影响。

采用圆孔光阑和空间滤波-像传递系统相结合，实现了高效率的皮秒高斯光束到超高斯光束的整形。通过研究其中空间滤波-像传递系统中滤波针孔大小对整形效果的影响，获得了整形效率大于32%、200~500 mm传播距离内保持超高斯光束填充因子大于0.76传输的实验结果。随后对获得的超高斯光束进行放大，放大过程中通过利用侧面泵浦Nd:YAG晶体的热透镜代替放大光路中4F系统像传递系统中的透镜，简化了超高斯皮秒激光放大系统的结构，同时经过一级双通放大后,获得了近场填充因子0.72，单脉冲能量3.0 mJ，脉冲宽度11 ps，重复频率1 kHz，峰值功率密度8 GW/cm2的超高斯光束皮秒激光放大输出。

高斯光在远离束腰位置能得到直线度极高的干涉条纹,基于此提出了一种基于远场干涉的新型扫描干涉场曝光(SBIL)系统。建立了条纹相位非线性误差关于高斯光束腰半径、入射角度及束腰到基底距离的解析表达式。通过数值仿真,详细分析了条纹相位非线性误差与上述参数的关系。研究结果表明,该光学系统可以有效地将条纹相位非线性误差限制在纳米量级,并具有光路简洁、装调误差宽容度较高的优点。适当缩短束腰到基底的距离,可有效解决曝光光斑边界处条纹相位非线性误差恶化的问题。

研究了大口径级联空间滤波器中色差造成的离焦色散与传输时间延迟对超短脉冲波形与时间信噪比的影响。针对神光-5 PW高功率超短脉冲系统,通过数值模拟,定量分析了光束口径、色差等因素与近远场脉冲波形畸变和时间信噪比退化的关系。从脉冲波形和时间信噪比的角度,给出了大口径空间滤波器消色差后残余色差的容忍范围,为高功率超短脉冲系统中空间滤波器的设计与优化提供了理论依据。

结合美国国家点火装置(NIF)的部分参数, 利用两镜型线聚焦空间滤波器(SSF)来替代主放大腔中的针孔滤波器, 对其在高功率激光装置中的应用进行了初步的研究。以NIF为例, SSF的应用可使远场强度降低两个数量级, 使腔空间滤波器和放大腔分别缩短约6.2450 m(27%)和13.8707 m(30%), 而放大腔中远场强度的降低以及去掉传输空间滤波器中的滤波光阑, 又使得主光路中基本无等离子体堵孔的问题。同时, 基于平面化离轴偏角的设计思想并结合放大腔中变形镜与反射镜互成物像面的特点, 对SSF构成的放大腔进行了离轴多程设计以避免放大自发辐射, 为SSF的实际应用以及高功率激光装置的进一步发展奠定了基础。

板条激光器初始光束为矩形光束, 光束的发散角与半径在相互垂直方向上相差很大。因此, 光束整形系统是板条激光器能够实际应用的关键技术之一。以2 kW射频板条CO2激光器为基础, 针对双柱面镜整形系统与带空间滤波器整形系统, 应用特征向量法与柯林斯公式进行了仿真分析。给出了光束通过这两种整形系统后光强的分布与光束半径的变化。结果表明, 板条激光器的矩形光束经过这两种整形系统后都能转变为近似圆形分布, 两个方向上的半径差值小。但光束通过双柱面镜整形系统后非稳方向光束质量没有得到改善, 聚焦后存在旁瓣, 能量占比约为9%。带空间滤波器整形系统则能够将旁瓣完全滤除, 提升了光束质量。

利用常规材料构造了Fibonacci序列准周期结构, 运用传输矩阵法研究了该结构的空间传输特性, 并基于该结构优良的空间传输特性设计了小角度低通空间滤波器.数值模拟结果表明, 该小角度空间滤波器的角域带宽可通过改变序列的结构类型和序列数来调谐, 其调谐规律为: 随着Fibonacci 序列F(m,1)中m值的增加, 对应空间滤波器的角域带宽减小; 随着序列数的增大, 对应角域带宽也减小.在调谐的基础上, 还可通过改变构成准周期结构的介质折射率参量来精确调节其角域带宽.相比于基于超材料的小角度空间滤波器而言, 基于Fibonacci序列的小角度空间滤波器制备更简单, 且有望应用于新一代的高功率激光系统中.

2 kW射频板条CO2激光器光束整形系统中空间滤波器具有消除旁瓣、提升光束质量的作用，研究其失调对输出光束的影响具有现实意义。通过理论和实验研究了空间滤波器失调对光强分布的影响，理论分析与实验结果基本一致。数值模拟了失调对输出功率的影响。结果表明，空间滤波器非稳方向横向位移失调对输出功率的影响不是线性的，输出功率损耗随着横向位移的增加急剧增大；对整形光束光强分布的影响很大，失调量大于0.2 mm时就会使整形光束非稳方向出现明显的旁瓣。空间滤波器轴向位移失调对功率影响较小，但对光斑形状有比较明显的影响，失调量达到10 mm时，整形光束两个方向的直径差可达3 mm。空间滤波器旋转失调角度在10°以下时，对整形光束非稳方向光束的影响可以忽略，主要影响波导方向光束，旋转失调会使模式变差。旋转失调对功率也有较大的影响，失调角度为10°时，功率损耗增加到25%。

由于截止滤光片具有的良好光学特性, 分别给出了基于两片长波通和两片短波通截止滤光片的光束空间低通滤波装置。利用几何光学法, 分别研究了这两种装置对光束的一维空间低通滤波特性, 结果表明: 这两种滤波装置的角谱选择性带宽与滤光片过渡带的带宽以及两滤光片的夹角有关。对于长波通滤光片, 两滤光片的夹角要大于等于截止角度的2倍, 而对于短波通滤光片, 两滤光片的夹角要小于等于截止角度的2倍, 理论上得出这两种装置的半高宽度的角谱选择性带宽均等于过渡带的宽度结论, 此时两滤光片之间的夹角为截止角度的2倍。

结合神光II升级装置腔空间滤波器远场准直的特点，通过建立孔间耦合模型，提出了一种孔间前馈补偿和孔内反馈调节相结合的多孔串并行综合准直控制方法。该方法通过位置预估和局部极值搜索来实现所有基准中心的提取,并依据图像Jacobian 矩阵，计算各反射镜电机的反馈控制量。将前孔准直调节量作为后孔准直扰动，并利用孔间耦合模型计算出后孔准直所需的前馈扰动补偿控制量，综合反馈控制量和前馈补偿量实现多孔的串并行准直调节。实验结果表明，基准中心的识别准确率达到97%以上，准直时间由约1 min缩短至30 s左右，在很大程度上提高了准直效率。