为了研究光纤激光的非相干合成特性, 建立了圆环状排布的光纤激光阵列光束合成模型, 模拟分析了单元光束束腰半径w0、波前畸变和光束间距对非相干及相干合成远场光束质量的影响。讨论了多路激光平行性对非相干合成效果的影响, 并进行了相关实验验证。结果表明,单元光束无波前畸变时, 当光束间距为d0=2.8w0时, 非相干与相干合成光束质量相等; 单元光束存在波前畸变时, 光束间距有所减小, 这是因为波前畸变对非相干合成影响更小; 对于非相干合成, 随着多路激光之间不平行度的增大, 非相干合成光束质量逐渐变差, 并且单元光束质量越好, 对多路激光平行性要求越高。该研究可为实际光纤激光合成系统设计分析提供参考。

为了保证Nd:YAG薄片激光器的高功率、高光束质量, 需解决薄片增益介质封装后的均匀散热、低波前畸变等关键问题。分析了封装过程中薄片增益介质的热应力, 模拟了连接界面无缺陷条件下薄片增益介质的热分布, 对封装工艺技术进行改进。优化的封装技术将薄片激光增益介质与微通道冷却器连接在一起, 采用超声扫描显微镜、激光干涉仪对薄片激光器的焊接界面与增益介质表面面形进行测试。结果表明: 该封装技术实现了直径Φ80 mm的大口径YAG薄片与冷却器焊料层均匀、无空洞的界面连接, 同时减小了焊接后薄片的波前畸变, Φ60 mm口径内面形畸变PV值小于1 μm, 均方根RMS值小于0.15 μm。该技术封装的单模块Nd:YAG薄片激光器输出功率达到2.3 kW。

为实现大尺寸、高储能的Nd: YAG板条激光增益介质模块的高可靠性工作,必须找到合适的封装工艺解决大尺寸无空洞、低热阻界面连接问题和界面低应力、低透射波前畸变问题。在充分了解板条激光增益介质和冷却单元的特性后,选择了延展性好的铟作为焊料,实验得到最佳焊料层厚度,通过改进封装工艺的钎焊技术将这两部分可靠地连接在一起。改进的封装工艺实现了钎焊面积大于40 cm2,空洞率小于0.5%,最大空洞面积小于1 mm2的技术指标,工艺重复性大于90%。通过对焊料层的优化实现了尺寸为150.2 mm×30 mm×2.5 mm板条激光增益介质静态透射波前畸变小于1 μm,成品率优于80%,静态透射波前畸变小于1.5 μm的模块成品率接近100%的技术指标。采用改进封装工艺焊接的单模块Nd: YAG板条激光器稳定输出功率达到4000 W。

在惯性约束聚变系统中, 改进G-S算法设计的连续相位板能够对波前发生畸变的激光进行束匀滑处理, 以改善远场分布。由于连续相位板对不同畸变状态的波前进行处理后的效果不一样, 因此针对连续相位板的束匀滑容差能力进行了系统分析。鉴于畸变光束的传输特性, 采用波前均方根梯度来量化波前畸变量, 定量计算了不同畸变光经过匀滑处理后的远场光强分布情况。并比较了不同入射畸变光通过连续相位板后的远场焦斑顶部均匀性, 结果表明：当入射波前畸变的均方根梯度小于0.32 wave/mm 时, 连续相位板具有很好的束匀滑效果。

开展了高功率板条增益模块在谐振腔内透射波前特性的实验研究，通过改变谐振腔参数完成了不同提取状态下板条增益模块透射波前的测量。实验表明，功率提取状态对板条的透射波前有着明显的影响。在抽运功率为10.8 kW时，相对于平凹腔和非对称输出的平平腔，采用双端对称输出的平平腔提取时，板条增益模块的透射波前畸变最小，其波前畸变峰谷(PV)值小于1.5 μm。

在惯性约束聚变高功率激光装置中，严重的低频波前畸变会引起空间滤波的小孔截断，降低光束质量。采用相位调制的离焦波前来分析不同程度的离焦对空间滤波过孔和输出光束质量的影响，得到了空间滤波器对波前离焦的容限。在这种模型下的计算结果表明，球面相位因子入射光聚焦光斑焦点位置的偏移距离与其曲率半径成反比，光束质量随着输入光束曲率半径的绝对值减小而降低。对于等焦距11.8 m、小孔半径角200 μrad的空间滤波器，临界频率处畸变波前的球面相位因子曲率半径绝对值不能小于3.5 km。曲率半径为3 km时，相位调制的空间频率小于1.57 mm-1时光束质量会急剧下降。

固体激光器中热效应引起的波前畸变影响了高光束质量、高功率的激光输出，限制了它在当代工业加工和科学研究领域的应用发展。以激光波前畸变的产生机理和传导冷却端面抽运板条激光器的优势为切入点，利用哈特曼夏克(H-S)波前探测器进行一系列的波前畸变测试。通过对静态波前畸变量、输出功率百瓦量级时的波前畸变量和输出功率千瓦量级的波前畸变量等结果进行数据分析，对实验进行反馈，提出改进意见，以期望进一步减少传导冷却端面抽运板条激光放大器的热效应。

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。

随机并行梯度下降(SPGD)算法是一种无波前探测自适应光学(AO)控制技术,具有很强的应用潜力。设计并实现了基于现场可编程门阵列(FPGA)的SPGD算法处理机,使用热风式湍流模拟装置产生动态波前扰动,搭建了61单元自适应光学系统SPGD算法动态波前畸变校正实验系统。用于性能指标测量的CCD帧频为2900 Hz,SPGD算法处理机迭代速度可达近千次每秒,自适应光学系统实现了对动态波前畸变的补偿。实验结果表明该自适应光学系统对动态模拟湍流具有良好的校正效果,闭环后的性能指标比开环时平均提高了30倍以上,远场光斑峰值平均提升了10倍。通过对性能指标的频谱分析,表明该基于SPGD算法的自适应光学系统的有效带宽为10 Hz。

数值模拟了拍瓦激光器前端非共线光参变放大(OPA)过程中存在波前畸变的抽运光对信号光光束质量的影响。结果表明,当抽运光光束波前存在严重畸变时,衍射效应和走离效应通过不同的物理机制导致了信号光光束质量的急剧下降。在导致信号光光束质量下降的过程中,走离效应在OPA未饱和放大时起着主导作用,当OPA工作在过饱和状态时,过饱和导致的信号光近场空间分布中心凹陷成为光束质量下降的主要因素。