为了提高半导体激光器作为光纤激光器、固体激光器泵浦源的亮度，基于光束准直、空间光束合成、偏振光合成、光纤耦合等技术，提出了一种紧凑的光束整形系统来均衡半导体激光器快慢轴的光束质量，采用类似阶梯型棱镜和两个30°的直角棱镜填充快轴方向暗区，并用偏振合束器对慢轴光束宽度进行压缩的光束整形方案，设计出了一种紧凑的高亮度光纤耦合系统。该系统由8个mini-bar组成的半导体激光器叠阵耦合进芯径为100 μm、数值孔径为0.22的光纤中，其输出功率为272.4 W，光光转换效率为85.1%，亮度高达22.832 MW/（cm²·sr）。

针对光纤连接器核心部件之一光纤准直透镜信号精密耦合问题，采用双合透镜设计了一种单模大光束光纤连接器。通过分析双合透镜特性、光纤准直器阵列中的多光学器件耦合机理和准直透镜间的3种耦合偏差引起的传输损耗，推导出该耦合系统的传输损耗公式。基于MATLAB分析得到：角向失配对准直器的耦合损耗影响最大，轴向失配影响最小。利用光学仿真软件ZEMAX在序列和混合模式下对连接器进行模拟，用Origin绘制出不同失配情况下信号耦合效率曲线，结果表明单模光纤芯径为12 μm时，耦合效率达到92.42%。最后通过光学平台搭建实验系统，验证了仿真结果的准确性。

为了使光谱仪在分辨率基本不变的同时增宽工作光谱范围, 利用非成像原理设计了自由曲面透镜, 将光源发出的宽工作谱段的光束准直为两束波长不同、方向不同的平行光, 实现探测器上光谱的折叠分布.首先, 根据两束入射光线经自由曲面折射前、后的矢量关系, 建立自由曲面上点坐标的一阶偏微分方程组；然后, 采用Runge-Kutta法对偏微分方程组进行数值差分求解, 得到自由曲面离散采样点, 进而构建得到自由曲面透镜, 将自有曲面透镜导入ZEMAX软件中对光源的双光束准直进行模拟, 在Tracepro软件中进行光线追迹分析其照度分布；最后, 将自由曲面透镜应用于近红外光谱仪中, 将波段为800~2 400 nm的光源准直为两束波长分别为800~1 600 nm和1600~2 400 nm的方向不同的平行光束, 经单个光栅色散后由成像透镜组成像在探测器表面, 形成两组相互平行且首尾相连的折叠光谱, 光谱仪的分辨率优于10 nm.结果表明, 采用该自由曲面透镜可以同时实现光谱仪的高分辨率和宽工作光谱范围, 且使光谱仪的结构更加紧凑.

设计并制作了一种新颖的扇面光束半导体激光器模块, 并在模块中集成了高输出电压、高重复频率驱动电路。该模块由多个LD芯片在慢轴方向沿圆弧排列而成, 采用微柱透镜和平凸柱面镜对LD快轴光束进行准直。驱动电路采用DC-DC电路产生高电压、采用门电路延迟法产生驱动电脉冲。实验测试表明: 该模块峰值光功率为1750W, 光脉冲宽度为6ns, 脉冲间隔为20μs, 光束水平发散角为41.2°, 垂直发散角为0.23°; 可以实现大视场空间、低间隔时间光束发射。

Measurement platform must exhibit a stereoscopic space distribution in diagnostic systems for petawatt lasers to meet the requirement of a periodically poled lithium niobate (PPLN) crystal for light polarization in singlepulse contrast measuring instrument. A mathematical model of a 4D linear matrix is proposed to achieve rapid and accurate beam alignment in picosecond measurement platform. In the petawatt experiments, the alignment algorithm ensures that the near-field and far-field accuracy is less than 0.16 mm and 0.17 mrad, respectively. The motor is adjusted less than three times, and the corresponding elapsed time is in 2 min. The mathematical model meets measurement requirements for alignment accuracy and time. The pulse contrast of the petawatt lasers is obtained from the model. The pulse acquisition probability of the contrast measuring instrument reaches 90% from 10%, to guarantee that the experimental result of pulse contrast can meet the general requirement (more than 106).

将夫琅和费衍射积分中的贝塞尔函数用高斯函数近似,得到经圆孔径准直光学系统衍射后高斯光束远场发散角的近似解析式.在不同衍射情况下,将其与严格夫琅禾费衍射积分进行比较,发现二者求解出的远场发散度接近.衍射孔径大小相同情况下,近似解析式与真实值的误差随准直前光束初始束腰的增大而减小;初始束腰不变的情况下,随着衍射孔径的增大,误差值略有上升,但最终趋于平稳.在初始束腰半径不小于2 μm的前提下,误差值最大不超过3.4%.该近似解析式在各种衍射情况下都能较为准确地表征准直圆孔衍射高斯光束远场发散度,且形式简单.对比不同衍射孔径和光束初始束腰条件下的光束发散度仿真结果可知,光束发散度随衍射孔径的增大而减小,随初始束腰的增大而增加.

为了实现半导体激光器的光束准直, 分析了半导体激光器光束沿快、慢轴方向的准直原理。采用单个半导体激光器作为被准直单元, 提出了基于像散曲面微透镜的半导体激光器光束准直方法。讨论了半导体激光器填充因子对像散曲面微透镜准直性能的影响。对填充因子0.5的半导体激光器进行模拟验证。准直后, 快轴方向剩余发散角约为0.34°, 慢轴方向剩余发散角约为2.69°。结果表明, 像散曲面微透镜不但可以对高填充因子的半导体激光器光束进行准直, 而且准直后出射光斑面积小。该研究为高功率半导体激光器堆栈光束的准直提供了可行性方案。

研究了基于准直光束成像的准分子激光主振荡功率放大(MOPA)系统的多路光束自动准直，实现了激光在放大器中的多程放大及高的靶面指向精度。采用352 nm He-Cd激光作为准直光源，提出了多光束感光屏同步接收与可见光CCD荧光成像相结合的复合图像采集技术，解决了自动准直系统多路激光的近场、远场图像获取问题。利用图像区域分割处理方法编制了准直信息处理软件，实现了对多光束的自动准直闭环反馈控制。最后，结合准分子激光MOPA系统中的预放大器光学设计进行了自动准直验证实验。结果表明: 准直成像光强可调谐倍数为300，成像系统在放大器窗口处固有误差占放大器口径比例小于设计值1.08%，3路激光的自动准直时间为40 s，完全满足放大器的几何填充和能量提取要求。

拍瓦激光参数诊断过程中，为满足单脉冲信噪比测量仪中周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体对光束偏振态的要求，皮秒测量平台的光路排布中采用了立体空间分布结构。针对单脉冲信噪比测量仪快速精确的在线准直要求，推导出马达调整的4×4 维线性矩阵的数学模型算法，实现皮秒测量平台立体空间激光光路的快速精确准直。实验结果表明，该准直算法能够保证马达调整3次以下，准直时间2 min以内，实现近场准直精度小于0.16 mm，远场调整精度小于0.17 mrad。满足信噪比测量对准直精度和准直时间的要求，使得信噪比信号获取成功率由10%提升到90%，保障拍瓦激光信噪比实验结果满足总体要求(大于106)。

针对声光偏转效应相干探测信号光斑随射频信号变化的偏移特性，利用光斑重叠物理模型，研究了光斑结构与探测效率的关系，分析了光束准直、探测器有效光敏面半径以及本振光能量匹配等因素对相干光探测效率的影响。计算机仿真和实验测试验证表明，以能量分布均匀的光斑作为本振光斑，对信号光斑在一定范围内漂移的光斑重叠相干探测效率改善十分有利，空间失配角在±0.5 rad内，重叠效率下降不到5%；采用光斑压缩准直处理能有效保证系统混频光束准直性，并且重叠光斑能量利用率高，系统光学匹配好。