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。

利用新型准直远场探测包光栅元件的双向衍射, 实现了空间滤波器的小孔准直, 特别是对同一段光路中两个空间滤波器的小孔对准.该方案克服了传统滤波器对小孔尺寸的限制并满足远场准直包高稳定性的要求, 在光路远场准直的同时实现了小孔中心位置的监测与准直调整, 并在以色列项目中得以成功应用, 装置实验结果表明: 针对装置15倍衍射极限大小的小孔, 对准精度小于小孔直径3%, 满足装置器件小孔对准调试小于小孔直径4%的要求.

为满足高功率激光装置光路自动准直系统的高精度要求, 提出一种光束非垂直过孔状态下椭圆光斑的光斑差值快速调节法, 并引入局部自适应阈值二值化算法提高准直图像的定位精度.当椭圆光斑长短轴差值较大时, 利用基于最小二乘法的椭圆拟合改进算法, 求出椭圆光斑长短轴的轴长, 通过远场反射镜调节长短轴轴长差值以调节光斑形状, 直到获得规则的圆形光斑.分析了圆光斑中心与基准位置的偏差值, 将差值转为闭环控制的步进电机调整步数, 实现了高功率激光装置光束的快速自准直.该算法应用在某高功率激光装置光路自动准直系统中, 结果表明, 远场指向精度优于0.033″, 优于目前高功率激光准直系统准直效果, 提高了激光光束的指向性精度.

为提高自动准直效率, 结合以太网, 设计出一套新型光路自动准直控制和检测方案.该方案采用基于耦合矩阵的前馈补偿及图像Jacobian矩阵的近远场串并行准直方式, 并引入局部自适应阈值和二值化算法, 同时将模糊控制算法运用到步进电机的调整过程中, 提高光束近远场图像的处理精度, 降低系统的准直时间.实验结果表明, 该准直系统远场的平均调整误差为空间滤波器小孔直径0.44%, 能够满足准直系统远场调整精度(小于小孔直径5%)的要求, 准直时间由原有的30 mins缩短至12 mins左右.

高能拍瓦激光的高精度脉宽测量对离轴抛物面镜焦斑功率密度的诊断以及光栅损伤阈值的分析都具有重要意义。分析了光束指向性和近场分布的周期性调制这两方面的误差影响。结果表明, 当反射镜稳定性在5 μrad时,光束指向性的误差最大为0.03%。当近场调制周期增加时, 误差降低; 而调制度增加时, 误差增大。另外, 采用镜像结构能降低近场缺陷导致的测量误差。当调制深度为1.5、调制周期大于10时, 综合误差小于20%, 最小可降至10%。镜像结构的误差均小于15%, 最小可降至0。在拍瓦级激光脉宽测量实验中, 证实了近场调制对于脉宽测量的影响及改善效果。

Aiming at the disadvantage that the traditional measurement technique is sensitive to the incident direction of incident light, a beam-split technique of high power laser multi-parameter measurement based on integrating sphere is proposed. Numerical analysis and simulation about attenuation rate, time waveform of emergent light, and time waveform recovery of incident light are carried out by Monte-Carlo method, which validate the feasibility that the integrating sphere can be used as beam-splitter in laser measurement system. The energy and time waveform of nanosecond laser is measured based on integrating sphere. The theoretical analysis matches well with the experiment result. Experiment and simulation results show that spectrum parameter, energy parameter and time parameter of incident light can be recovered by measuring the parameters of the emergent light, when the light-split technique is used in laser parameters measurement. The proposed technique can conquer the disadvantage that the incident direction of incident light has great influence on the parameters of the emergent light in traditional technique. The proposed technical proposal possesses small volume and is easy to integrate, which can be used in modular design of multiple beam high power laser parameters measurement system.

针对传统测量技术对入射光入射方向敏感的缺点，提出了一种基于积分球的高功率激光多参数测量的分光技术。采用蒙特卡罗法对衰减率、出射光时间波形特性、入射光时间波形恢复这三个方面进行了数值分析和仿真，验证了积分球作为激光测量系统中的分光元件的可行性。利用积分球对纳秒激光的能量和时间波形进行测量，实验结果与理论分析相符。实验与仿真均表明在激光参数测量中采用该分光技术，通过测量出射光各项参数可以恢复入射光的光谱参数、能量参数、时间参数，克服传统技术中入射光的入射方向对于出射光的各项参数有较大影响的问题。该技术方案占用空间小、易于集成，可用于多路高功率激光参数测量系统的模块化设计。

结合神光II升级装置腔空间滤波器远场准直的特点，通过建立孔间耦合模型，提出了一种孔间前馈补偿和孔内反馈调节相结合的多孔串并行综合准直控制方法。该方法通过位置预估和局部极值搜索来实现所有基准中心的提取,并依据图像Jacobian 矩阵，计算各反射镜电机的反馈控制量。将前孔准直调节量作为后孔准直扰动，并利用孔间耦合模型计算出后孔准直所需的前馈扰动补偿控制量，综合反馈控制量和前馈补偿量实现多孔的串并行准直调节。实验结果表明，基准中心的识别准确率达到97%以上，准直时间由约1 min缩短至30 s左右，在很大程度上提高了准直效率。

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).

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)。