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。

轮轨黏着系数对于列车运行的安全性与稳定性具有决定性的影响。在冬季, 钢轮表面的薄冰会大幅降低轮轨黏着系数。根据水的相图和压力融化原理, 将轮轨接触区域划分为钢-冰固体接触区和钢-水混合润滑接触区, 基于统一雷诺方程模型, 研究了温度在-21 ℃至0 ℃, 运动速度为100~500 km/h范围内, 高速轮轨黏着系数随速度的变化规律, 并提出采用激光毛化技术在车轮表面形成规则形貌(纵纹、横纹、菱形), 将有助于提高冰水混合润滑状态下的轮轨黏着系数, 为高速列车黏着控制技术提供理论基础。

高功率片状放大器在线运行时氙灯辐照导致片腔内产生大量气溶胶，易引起钕玻璃污染，影响其使用寿命。采用洁净氮气吹扫恢复片腔内的洁净环境是片状放大器在线运行时的主要洁净手段。研究了氮气吹扫过程中片腔内涡流对洁净度的影响，结果显示涡流对气溶胶颗粒的禁锢作用会导致腔内气溶胶颗粒的大量残留，且无法通过延长吹扫时间或调整吹扫流速加以解决。针对这一问题，提出了间断多次氮气吹扫对腔内气溶胶进行循环稀释的在线洁净控制方法，该方法使腔内涡流经历不断破坏和重建过程，涡流场内滞留的气溶胶颗粒含量也得到不断稀释，从而大幅提高片腔洁净度。针对Φ130 mm单口径片状放大器进行了对比实验研究。采用间断吹扫法之后，腔内残留气溶胶颗粒为连续吹扫时的1/100，片腔洁净度在15 h的观测时间内始终保持在40级以内。该方法普适有效，为避免片状放大器钕玻璃气溶胶污染,增加其在线使用寿命提供了重要参考。

片状放大器腔内钕玻璃表面的洁净度是保证放大器高工作性能和长寿命的关键指标，而合理的腔内流场分布是放大器保持腔内洁净的前提条件。运用计算流体力学方法，利用Fluent软件对纯氮气冲洗片状放大器过程中的腔内流场进行模拟，并在样机上验证了模型的有效性；通过调整放大器的进出气口结构及位置排布，获得了最佳的流场分布。实验结果表明，相比未优化放大器，优化后的放大器仅使用一半时间就可以达到相同的腔内洁净度等级，且钕玻璃表面洁净度更高。

The cleanliness of neodymium glass surface in the slab amplifier is a key indicator of guaranteeing high performance and long lifetime of amplifiers, and the reasonable internal flow field distribution is the prerequisite for keeping clean in the amplifier cavity. By means of computational fluid dynamics method and with the Fluent software, the internal flow field of slab amplifier cavity in the purging process of pure nitrogen is simulated, and the model validity is verified on the prototype system. By adjusting the structure and location arrangement of air inlets and outlets of the amplifier, the optimal flow field distribution is obtained. The experimental results show that compared with those of the non-optimized amplifier, the optimized amplifier not only takes only half time to obtain the same required cleanliness, but also the cleanliness of neodymium glass surface is higher.

为了研究规则分布的表面形貌对轮轨接触在混合润滑状态下摩擦系数的影响，设计了3种不同的表面纹理：横纹、纵纹、菱形。用确定性模型取代平均流量模型，对膜厚、压力、接触面积比进行了数值计算，总的接触载荷由流体接触区和固体接触区分别分担，总的摩擦力等于流体区的摩擦力和固体接触区摩擦力之和。根据设计的3 种表面纹理，用YAG 激光对车轮钢试样表面进行激光毛化处理，获得这3种表面纹理，在RSW-2摩擦磨损试验机上进行油介质条件下的混合润滑摩擦学实验，模拟轮轨间有油污时的工况，测量了该条件下各种表面纹理下的摩擦系数，并与未作激光毛化处理的表面进行对比。理论和实验结果显示，在油介质混合润滑条件下，有激光表面纹理的摩擦系数远大于未作激光毛化处理的试样表面的摩擦系数。3 种激光表面纹理中，菱形纹理的摩擦系数大于纵纹和横纹的摩擦系数，纵纹的摩擦系数比横纹略大。因此，在油污条件下使用激光毛化的菱形纹理表面能较显著地提高轮轨间的摩擦系数。

鉴于接触疲劳试验周期长、工作量大,提出了一种金属材料小滑差率接触疲劳加速试验方法,其主要步骤是: (1)用滑差率连续可调的滚动接触疲劳试验机进行试验。(2)先进行无润滑磨损实验,利用主动轴试样和从动轴试样磨损率的差异,在被测试样(从动轴试样)上预制剪切裂纹。(3)再加润滑剂,进行液体润滑接触疲劳实验。实验结果表明,在被测试样和陪试样材料基本相同的条件下,当循环周次达到约104时,被测试样表面即出现接触疲劳失效,而陪试样(主动轴试样)基本上无点蚀或剥落。激光离散熔凝可大幅提高珠光体钢的接触疲劳寿命,其机理是激光作用使珠光体转变为奥氏体与细小马氏体混合组织,这种组织具有较好的塑性,不利于疲劳裂纹的扩展。

研究了激光二极管端面抽运非平面环形腔(NPRO)激光器，获得了1.254 W的1064 nm单频可调谐激光输出，斜率效率为51.5%，在1 h测试时间内的功率稳定度为±0.8%。对输出激光的光束质量进行了测量，两方向的光束质量因子分别为M2x=1.16和M2y=1.05，采用拍频法测量表明激光线宽小于2 kHz。通过对激光晶体的温度控制实现了18 GHz的频率变化，在无跳模情况下，连续调谐系数约为-2.9 GHz/℃。通过光纤延迟自拍法对激光频率的短期稳定度进行了测试，获得激光器在100 ms积分时间内的频率稳定度为4.7×10-12。

为了分析光轴在单块晶体加工过程中镜面失谐的自洽特征，建立了非平面环形腔镜面倾斜的数学模型，利用增广的光线矩阵讨论了光轴变动。结论显示：当存在距离误差时，不会影响光轴闭合；当输入输出耦合面设计成曲面时，能实现光轴自洽闭合；当它为平面时，静态分析表明，如果两个对称全反面的失谐角度满足特定关系，能再次实现光轴的闭合。如果失谐角度不满足对应关系，对称失谐和减小失谐量能减小耦合点偏离距离。动态分析过程则给出了一个更加合理的分析加工容差方法，同时为实验的调光过程提供了理论指导。