为了研究温度对大口径SiC反射镜镜面曲率半径和面形RMS值的影响，针对某空间相机2 m口径SiC主反射镜建立了有限元模型，分析了均匀温度场、轴向温度梯度以及径向温度梯度对反射镜曲率半径变化量和面形RMS值的影响程度和规律,通过理论分析和试验验证了仿真结果的准确性。结果表明：温度梯度对反射镜曲率半径和面形RMS值的影响远远大于均匀温度对其的影响，曲率半径变化对轴向温度梯度最为敏感，面形RMS值对径向温度梯度最为敏感。1 ℃轴向温度梯度引起的曲率半径变化比相同均匀温升引起的曲率半径变化量大48倍。±1 ℃径向温度梯度引起的面形RMS值可比相同均匀温升引起的面形RMS值大202倍。在确定反射镜热控指标时，必须考虑轴向温度梯度和径向温度梯度对稳定性公差的影响。

为了分析径向温度梯度对轻量化反射镜面形精度的影响, 以某空间相机2 m口径轻量化反射镜为研究对象, 建立了反射镜有限元模型, 分析了不同分布形式的径向温度梯度对轻量化反射镜面形RMS的影响程度, 通过试验验证了仿真方法及结论的准确性, 研究了不同轻量化结构与径向温度梯度对反射镜面形精度的耦合影响。结果表明: 不同分布模式的径向温度梯度引起的面形RMS值最大可相差294倍, 且径向梯度引起的面形误差无法通过优化反射镜支撑方案的方式使其减小。不同轻量化结构的反射镜面形精度对不同分布模式的径向温度梯度敏感度不同, 三叶式削边和对称式削边的轻量化方式在特定径向温度场分布模式下, 会对反射镜热稳定性产生极不利影响。

为了研究高功率连续激光辐照过程中快反镜的热性能变化问题, 文中利用多物理场仿真分析软件建立了融凝石英(fused silica)、微晶(zerodur)、碳化硅(SiC)三种材料制作的快反镜传热学和结构力学耦合非稳态模型, 通过泽尼克多项式算法对高功率激光辐照快反镜热应力下的光学波前进行拟合。研究结果表明: 在同等激光功率辐照条件下, 微晶材料制作的快反镜温升最小, 形变最小。根据仿真结果优选微晶作为快反镜镜体材料, 基于泽尼克多项式对快反镜波前热畸变进行仿真分析, 计算得到波前热像差以活塞、球差、离焦等为主导, 可为波前校正工程应用提供理论参考。

前期通过实验和理论研究了960线合束光栅在不同功率密度激光辐照下的表面热畸变及远场光束质量,认为基底受热膨胀是导致合束光栅面形质量和光束质量下降的主要原因,但没有对合束光栅表面热量沉积和远场光束质量如何改善进行分析。通过模型改进分析了合束光栅在不同辐照功率密度下的表面温度、热畸变以及远场光束质量的变化,而且计算分析了基底厚度对合束光栅表面温度、热畸变以及远场光束质量的影响,并得出结论:增加基底厚度有利于提高合束光栅的功率耐受性以及衍射光斑的远场光束质量。

为了改善高能固体激光器由于激光增益介质的热畸变限制了激光器在大能量输出时保持高光束质量的能力, 提出一种基于离轴混合腔的高能双板条热容激光器, 并进行了实验研究。实验结果表明该激光器的双板条结构, 具有对温度分布不均匀造成的激光波面畸变实现部分自校正的能力。再配合离轴混合腔的使用, 可大大提高激光器的光束质量。实验中采用了两块尺寸为100 mm×20 mm×500 mm的大尺寸钕玻璃板条, 激光器的阈值泵浦电压大约是2 400 V左右, 斜效率为3.4%。当泵浦电压为3 400 V时, 激光器的输出脉冲能量达到158.07 J。泵浦电压为2 800 V时, 分别对近场和远场的光斑进行测量, 可计算得到非稳腔和稳腔方向的发散角分别为1.245 9 mrad和1.545 9 mrad。

理论分析了基于边缘加热条件下气冷钕玻璃放大器的热致波前畸变, 模拟计算了不同加热温度下钕玻璃片的温度分布和热波前畸变分布, 并进行了实验验证。结果表明, 数值模拟与实验结果能较好地吻合, 在产热率为0.6 W/cm3时, 钕玻璃片产生的热波前畸变随着边缘温度的增加而减小, 而当边缘温度达到90 ℃时, 热波前畸变开始出现反转, 随温度增加而增加。合理设计边缘加热结构和优化加热温度, 能有效抑制气冷钕玻璃放大器的热波前畸变。

When high-power solid laser working in high repetition rate, the laser output wave-front changes due to the thermal distortion, which is caused by the gain medium under the heat deposition. Therefore, the coherent modulation imaging technology is used to realize the measurement of the laser output wave-front from one frame of diffraction intensity recorded. The phases of thermal distortion of the optical element are obtained when the amplifier working in 1, 5, 7 Hz frequency. Experimental results show that thermal distortion effect is significantly increased, the heat is concentrated toward the center region and the phase change increases as the working frequency increases.

高功率固体激光器工作在高重复频率时，增益介质因热量的沉积而发生热畸变，导致激光输出波前发生变化。为此，利用相干调制成像技术通过记录单幅衍射光斑实现输出光场的波前测量，获得了放大器工作在1,5,7 Hz频率时光学元件的热畸变相位。实验结果显示，随着工作频率增大，热量向中心区域集中，热沉积效应明显增加了波前变化。

The heat generated in the cavity of the high power slab laser amplifier makes it less stable and induces a thermal-lens effect which adds a spherical phase distribution to the wave-front of the laser beam. The commonly employed interferometry or Hartmann–Shack sensor based measurements are unable to provide an accurate measurement of the thermal distortion of the gain medium. It is demonstrated that this problem can be solved using a scheme based on ptychographical iterative engine. The complex transmittance of the outgoing laser is obtained by the proposed scheme while the amplifier is set at its turned off and turned on state and the thermal distortion caused by the pumping light is calculated from the obtained transmittance.

30 m望远镜三镜为长轴3.594 m，短轴2.536 m的椭圆形微晶玻璃反射镜。其支撑结构采用了多种柔性结构，以释放非支撑方向的自由度。使得轴向支承和侧向支撑能够相互解耦，并减小支撑结构与镜子材料的热胀系数不匹配带来的热应力。柔性件柔度越高，在望远镜观测条件的扰动下镜面面形越好。但过高的柔度会降低柔性件的屈曲临界载荷，导致结构发生屈曲失效。为此需要计算出望远镜观测过程中柔性结构所承受的最大压力载荷，计算相应的屈曲安全系数SFBuckling。对比了典型结构非线性屈曲分析和特征值屈曲分析的区别，不断迭代设计和分析，柔性元件的SFBuckling和柔度取得了一个较好的平衡点，热扰动下的面形也达到了设计要求。