为了测量稳定运行时超声速自由旋涡气动窗口(ADW)产生的像差,评价ADW的光学性能,提出了一种基于一维自准直Shack-Hartmann传感器,用拼接法进行波前复原测量气动窗口的方法。采用671 nm光源作为测试光源,高帧频CCD面阵相机采集经Shack-Hartmann波前传感器聚焦的子光斑阵列,采用拼接法进行波前复原。讨论分析了波前像差中沿y方向的倾斜量、波前峰谷(PV)值和均方根(RMS)值与气动窗口工作状态的对应关系。实验结果表明,压力稳定时长曝光PV值为0.1729λ,RMS值为0.0578λ。实验数据说明了Shack-Hartmann传感器拼接法对测量ADW光学性能的可行性,对ADW的进一步优化和实际应用具有重要的工程指导意义。

建立自由旋涡气动窗口全流场仿真模型，对大密封压比气动窗口的全流场展开数值研究，得到自由旋涡气动窗口的流场结构，发现大密封压比气动窗口形成的自由旋涡射流在光束输出通道内无明显的波系结构.根据模拟结果对自由旋涡气动窗口的性能进行优化，对自由旋涡喷管上壁面型线进行二次粘性修正.优化自由旋涡射流场后，激光器输出光束通道内压力分布稳定上升；增加扩压器外端壁吹气1.19 MPa、内端壁吹气1.68 MPa时，自由旋涡射流总能提高，气动窗口密封压力从37.5 torr降低至6 torr.该研究结果对自由旋涡气动窗口技术的发展具有参考意义.

针对采用主动式扩压器的自由旋涡气动窗口, 实验考察了扩压器入口面积比对扩压器压力恢复性能及自由旋涡气动窗口密封性能的影响。结果表明：入口面积比是影响扩压器压力恢复性能的重要因素;通过优化扩压器入口面积比,可以提高气动窗口密封压比和稳定性。主动式扩压器比传统扩压器具有更小的最佳入口面积比, 使气动窗口射流更接近于理想自由旋涡射流;主动式扩压器最佳入口面积比约为2.03。在最佳入口面积比情况下, 扩压器内端壁吹气临界驻室压力最低, 外端壁吹气压力对密封压力基本没有影响。

为减小激光束透过超声速自由旋涡气动窗口时的退化畸变,提高光束质量,基于气动窗口(ADW)射流外侧剪切层与环境折射率和压力同时匹配理论,提出N2/He双组元混合气射流工质方案,讨论了混合气组分比例确定方法。对N2和N2/He混合气两种射流工质分别进行了实验,以波长为0.6328 μm的He-Ne激光器为光源,用哈特曼波前传感器采集数据,给出了激光束透过射流时的波像差峰谷(PV)值。结果表明,N2为射流工质时,波前畸变峰谷值约为0.18 μm;N2/He混合气为射流工质时,波前畸变峰谷值约为0.13 μm,说明N2/He混合气取代N2作为射流工质,可以有效提高气动窗口的光学质量。

为了解决低腔压大功率气体激光器传统固体输出窗口的热吸收问题,多采用自由旋涡气动窗口替代传统固体输出镜的方法.通常,自由旋涡气动窗口的设计采用无粘特征线方法结合经验修正,扩压段的设计采用理论分析结合经验的方法.基于对气动窗口整个流场的数值模拟来设计气动窗口的研究还不太完善,利用超声速自由旋涡流动结构并结合数值模拟的方法,设计了自由旋涡气动窗口,用数值模拟的方法得到了较理想的扩压段宽度和位置,最后对气动窗口全流场进行了模拟,结果表明自由旋涡气动窗口的设计是可行的.

分析了用哈特曼 夏克波前传感器研究高能激光器自由旋涡气动窗口对输出激光波前畸变的原理，并利用37单元哈特曼波前传感器实验研究自由旋涡气动窗口对输出激光波前的影响。结果表明，自由旋涡气动窗口对输出激光波前的影响主要是光束偏转和离焦,而其他低阶及高阶像差都比较小。由于透射激光束的偏转是稳定的，很容易由倾斜镜进行校正，因此稳定工作状态下的自由旋涡气动窗口能够满足实验需求。

采用横向剪切干涉法(LSI)测量大口径自由旋涡气动窗口所引起输出激光束的波前畸变,并由重构的畸变 波前计算光束质量评价因子斯特列尔比的大小。实验测量了自由旋涡气动窗口工作在不同供气总压下的光束质量，同时测量了气动窗口光束质量随时间的变化情况,并给出相应分析。

对高能激光器自由旋气动窗口工作射流的类透镜效应进行了研究.从实验上研究沿自由旋气动窗口射流方向上不可避免的类透镜效应的特性,然后采用几何矩阵光学的原理,从理论上对自由旋气动窗口的类透镜效应进行详细的分析计算.最后,分析讨论类透镜效应对自由旋气动窗口的设计所带来的限制条件.

自由旋涡气动窗口能有效地替代高能激光器传统晶体输出镜,起到密封激光器低腔压的作用.利用现有的37单元室内自适应光学系统,对自由旋涡气动窗口的输出激光波前畸变进行自适应光学波前校正.给出了自适应光学系统对气动窗口畸变波前的校正原理,采用直接斜率法在设计状态下对畸变波前进行了校正实验.结果表明,该自适应光学系统能够较好地校正工作在设计状态下的自由旋涡气动窗口对输出激光所引起的波前畸变。

利用37单元哈特曼波前传感器实验研究不同工作条件下不同时刻自由旋涡气动窗口对输出激光波前的影响.将高速CCD所采集的畸变激光波前传送给高速波前处理机,采用模式法对其进行波前重构,进而计算给出畸变波前的波像差峰谷值、波像差均方根和斯特列尔比值等相关光学参数随气动窗口工作条件不同的变化曲线.结果表明,自由旋涡气动窗口对输出激光波前的影响主要是光束偏转和离焦,特别是气动窗口工作在设计状态时,其余低阶及高阶像差都比较小，能够满足实际需要.哈特曼波前传感器能很好地用于自由旋涡气动窗口对激光波前影响的二维动态测量,并能给出波前畸变的各项Zernike多项式的模式系数得到畸变波前,直接为气动窗口与强激光发射系统的对接和波前校正提供数据.