高功率激光装置是一个复杂的有源巨型光学工程，其性能指标要求逼近科学技术与物理极限。驱动器研制有物理设计、工程光学和结构工程设计三大过程，工程光学在其中起着重要作用。高功率激光装置工程光学设计需遵循其特有的设计原则和要点，以保证装置的高性能。根据驱动器设计指标和设计特点，从总体光学设计、光束质量控制以及光束打靶精度控制方面，综述了高功率激光装置工程光学设计中的关键科学技术问题以及相应解决方法，为未来高功率激光驱动器的发展提供必要的工程设计参考。

高功率超短脉冲激光系统中,空间滤波器透射元件引入的色差会影响系统的聚焦功率密度。针对这一问题,提出一种具备动态调节能力的色差预补偿方案。该方案由正负透镜和反射系统构成共焦像传递系统,能够实现全系统色差的动态精确补偿。基于该方案为神光-II 5 PW(SG-II 5 PW)激光系统设计并搭建了色差预补偿光路。实验结果表明,通过精密调节该单元内部透镜间距能够精确补偿全系统的色差,显著提升系统峰值功率密度。经过色差补偿后,在SG-II 5 PW系统开展质子加速实验,获得了超过16 MeV的质子产额。

单层校正自适应光学系统只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,多层共轭自适应光学技术可以突破这种限制。介绍了层向多层共轭自适应光学系统基本结构及工作原理, 研究了层向多层共轭自适应光学系统的模拟, 内容包括: 如何产生动态大气湍流波前数据、基于四棱锥波前传感器的波前复原算法、基于模式法的变形镜闭环校正控制过程等。对单层和两层的层向共轭自适应光学系统进行了模拟仿真, 仿真结果表明: 层向多层共轭自适应光学系统采用了更多的导星来校正两层大气湍流, 比单层校正自适应光学系统具有更大的校正视场和更好的校正效果。

四棱锥波前传感器具有空间采样率高和光能利用率高等优点。要准确地从光瞳像中提取待测波前的斜率信息，需要事先对光瞳像的尺寸和位置进行标定。分析了光瞳像尺寸标定误差和位置标定误差对自适应光学系统闭环校正效果的影响。提出了一种对无调制四棱锥波前传感器光瞳像进行标定的方法，并在考虑系统像差和探测噪声的条件下对该方法进行了多次仿真实验验证。分析结果表明，即使系统存在像差（均方根小于1.7λ），该方法仍可以对光瞳像的尺寸和位置进行准确标定。该方法可应用于实际自适应光学系统。

大气湍流三维波前复原是星向多层共轭自适应光学中的关键技术。分析了星向多层共轭自适应光学系统中的大气湍流三维波前模式复原算法，并对该算法进行了数值仿真验证和误差分析。分析结果表明：当对2层大气湍流进行三维波前复原时，若采用自然导星，因平移像差不能被探测，导致平移和倾斜两种模式不能被准确复原；若采用激光导星，因平移和倾斜像差不能被直接探测，导致平移、倾斜、离焦和像散几种模式不能被准确复原；当对3层大气湍流进行三维波前复原时，模式混淆总是存在，无法消除，各层大气湍流波前不能被准确复原；当观测目标在探测高度的波前被自然导星光束完全覆盖时，其波前可以被准确复原。

This paper describes the development of a novel infrared point-diffraction interferometer (IPDI), which can be readily applied to real-time quantitative phase measurement. We generate reference wave with the help of Michelson-like unit combined with a low-pass spatial filter, and extract the phase information using windowed Fourier transform algorithm from single off-axis fringes. The arrangement of the proposed setup offers a quasi-common-path geometry, which could significantly minimize the systematic errors. The proposed method of IPDI is effective and sufficient for the dynamic process measurement of small deformation with higher spatial resolution compared with the conventional off-axis scheme. The feasibility of the proposed setup is demonstrated, followed by methods of reconstruction and system calibration. The nanoscale repeatability is achieved in our experiment.

The adaptive optics system for the second-generation VLT-interferometer (VLTI) instrument GRAVITY consists of a novel cryogenic near-infrared wavefront sensor to be installed at each of the four unit telescopes of the Very Large Telescope (VLT). Feeding the GRAVITY wavefront sensor with light in the 1.4 to 2.4 micrometer band, while suppressing laser light originating from the GRAVITY metrology system, custom-built optical components are required. In this paper, we present the development of a quantitative near-infrared point diffraction interferometric characterization technique, which allows measuring the transmitted wavefront error of the silicon entrance windows of the wavefront sensor cryostat. The technique can be readily applied to quantitative phase measurements in the near-infrared regime. Moreover, by employing a slightly off-axis optical setup, the proposed method can optimize the required spatial resolution and enable real time measurement capabilities. The feasibility of the proposed setup is demonstrated, followed by theoretical analysis and experimental results. Our experimental results show that the phase error repeatability in the nanometer regime can be achieved.

介绍了一种结构简单紧凑、可用于高精度实时相位波前测量的红外点衍射干涉仪，采用类迈克耳孙的光学结构，并结合低通小孔滤波，同时使用窗口傅里叶变换的方法解调单幅离轴载波条纹。与传统波前测量技术相比，所提出的准共光路的光学系统结构有效地抑制了系统像差及外部环境干扰等对测量结果的影响，实现高精度和高分辨率的波前探测。实验结果表明，该方法能够实现高精度的相位测量，且其重复精度达到了纳米量级。

将光束动态分布的概率分析加入到传统稳定性设计过程之中，提出了一种基于动态分布的光束稳定性分析方法，并以大型激光驱动器中的空间滤波器为分析对象，讨论了在不改变光学参数的基础上，如何利用该方法对滤波器的结构特性进行优化。结果表明，该方法能够对元件间的相对参数值提出要求，有别于传统方法仅着眼于提升单个元件的稳定性的设计思路。与传统方法共同运用，同时对光束的动态范围和分布类型进行优化，能够进一步改善系统的稳定性，为装置运行提供稳定可靠的基础平台。