K9玻璃具有硬度高、 热稳定性好、 膨胀系数小以及较高的透过率等特性, 被广泛应用在高功率激光领域。 光学元件污染物诱导损伤问题成为限制高功率激光器发展的瓶颈之一, 深入研究光学元件的损伤机理对于控制损伤的形成具有重要意义。 为探究损伤机理, 利用光谱探测分析对Al2O3诱导K9玻璃激光损伤的机制进行了研究。 即采用EDS能谱探测技术对损伤前后损伤形貌及元素原子百分比变化进行探究, 进而了解损伤过程中发生的物理变化及烧蚀化学变化, 并结合LIBS技术对损伤过程中的电离过程进行诊断和讨论。 实现了对光学元件损伤原理的探究以及光学元件安全的实时监测。 研究结果表明, 在激光诱导污染物至K9玻璃损伤的过程中, Al2O3颗粒形貌发生变化, K9玻璃也有微形损伤坑的出现。 此外, Al2O3颗粒元素原子百分比含量由于颗粒的变形而发生改变, K9基底中含有的Na2O与氧气结合造成了O元素原子百分比含量升高, SiO2会发生气化-凝结成超细颗粒导致Si元素原子百分比的降低。 这些变化直接反映了在损伤过程中发生了高温熔融现象。 电离击穿过程可以采用LIBS进行检测, 得到在损伤过程中有等离子体闪光的特性。 对上述物理过程进行了建模仿真研究, 使用COMSOL模拟分析了在损伤过程中的热传导以及等离子体冲击波在基底内的传播特性。 研究表明在发生损伤的过程中颗粒的温度达到2 800 K高于自身的熔点(2 313 K), 同样, 基底的温度(2 500 K)也高于自身的熔点(1 673 K), 这直接引起相变, 并在后续激光辐照下产生等离子体, 等离子体的高压冲击等作用致使基底微型熔融损伤坑的出现。 模拟分析验证了LIBS技术和EDS能谱分析探究光学元件损伤机制的可行性和准确性, 该方法既可以用于损伤机理的分析, 还可以对高功率激光系统稳定运行实施监测。

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。

传输反射镜是高功率激光装置中连接主放大系统与靶场终端的关键组成部分，实现它的表面洁净控制尤为必要。本课题组基于风刀高速吹扫颗粒物去除技术，探究了开放式环境下，风刀安装高度、进气压力、出气口间隙、吹扫次数等工艺参数对靶场终端反射镜表面Al₂O₃、灰尘和不锈钢等颗粒物去除效率的影响，并从实验中捕捉到了颗粒物的动态运动轨迹。研究结果表明：提高进气压力可以提高颗粒物的去除效率；当风刀安装高度为4 mm、进气压力为1.5 MPa时，0.05 mm或0.1 mm的风刀出气口间隙均可实现90%以上的平均去除效率；当进气压力不高于1.2 MPa时，增加吹扫次数并不能提高颗粒物的去除效率；在去除过程中，颗粒物沿着高速气流方向直线运动。本次实验结果为靶场终端传输反射镜在线表面洁净控制提供了重要参考和技术支撑。

在计算机控制光学表面抛光中,高斯形状的去除函数是一种理想的去除函数,然而传统的双转子运动抛光产生的去除函数与高斯形状有较大偏差,不够平滑,因此会在被抛光表面引入较大的中频误差,影响高功率激光系统的性能。针对该问题,在传统双转子抛光的基础上,本文提出了偏心双转子运动抛光技术,并建立了数学模型。理论分析表明,偏心双转子抛光可以产生更加接近高斯形状的去除函数。对各关键参数进行优化,理论上获得了拟合优度(R²)达到0.9986的高斯型去除函数。进行了偏心双转子定点抛光实验和光栅轨迹数控抛光实验,定点抛光实验中获得了R²=0.9895的高斯型去除函数,验证了理论分析的正确性;光栅轨迹数控抛光实验证明了偏心双转子抛光技术较传统双转子抛光技术对中频误差有更好的抑制作用。

为了解决气浮光学平台在水平方向超低频减振的问题以提高超精密实验的产出质量,提出基于调谐液柱阻尼器(TLCD)的气浮光学平台流固耦合理论,用来实现最优调谐控制和实验精度的提升。首先对TLCD进行原理分析并推导出固有频率的设计范围;其次对TLCD气浮光学平台流固耦合系统进行建模及推导;接着对流固耦合系统进行响应特性分析及参数优化;最后对时域响应和光学实验进行验证分析。结果表明,当固有频率比一定时,存在一个最优阻尼比可以使减振效率取得最大值,共振峰处的减振效率达到66.76%;同时通过调控小孔板可以使TLCD减振系统适合宽频激励的工况,气浮光学平台动力响应的有效控制有利于提高实验精度,为超精密实验品质的提升提供了一种有效控制手段。

为了解决由振动引起的神光Ⅱ系列装置光束指向精度变差的问题,提出光机耦合主动吸振理论,实现了控制参数的自适应调控和打靶偏差的更小输出。建立神光Ⅱ系列装置全链路光束传输系统模型,搭建空间滤波器光机耦合主动吸振系统,设计自适应模糊PID控制器,分析主动控制参数对输出光角响应峰值的影响并优化控制参数,分析各装置空间滤波器打靶偏差在自适应模糊PID控制主动阻尼动力吸振作用后的控制效果。结果表明,当主动阻尼动力吸振器调谐到最优阻尼时,其打靶偏差较传统方法降低了75.9%,同时被动阻尼动力吸振器也具有降低打靶偏差的功能,其打靶偏差较传统方法降低了31%左右。主动阻尼动力吸振器可根据打靶偏差大小调节速度反馈增益,使控制效率在31.0%~75.9%范围内变化,实现了自适应调节的反馈功能,实验结果与预期一致。

针对目前已有的高光谱异常检测算法大多只利用了高光谱图像的光谱维信息，而没有体现高光谱数据“图谱合一”的优势，导致算法检测性能不佳的问题，提出了一种基于非局部自相似性的高光谱异常检测（NLSSAD）算法。首先建立双立体窗，其中内窗表示待测像素光谱向量的空间—光谱三维结构窗，之后在背景中寻找与内窗最为相似的立体窗，并计算二者之间的距离从而得到待测像素光谱向量的非局部自相似性指数，并得到异常检测结果。实验结果表明，与现有的算法相比，所提算法在检测率和运算速度上均有较好的表现。

激光器输出功率稳定及高功率激光装置中长光程传输光束指向稳定,都对维持光学件位置的支撑镜架稳定性提出了很高的要求。为了维持光束的准直性,支撑结构必须兼顾可调节性和稳定性,而可调节性将引入不稳定性。本文针对可调节支撑镜架中常用的调节结构提出一种结构改进设计,通过添加单独起导向作用的精密滑动配合,实现对传统调节结构中导向与传动耦合的螺纹配合进行功能解耦,降低了螺纹配合中较大径向间隙对导向精度的影响,提高了镜架的稳定性;搭建了稳定性对比测试装置,实现在同一光路中对不同光学镜架的稳定性对比测试。实验结果验证了所提改进调节结构可有效提升光学支撑镜架结构的稳定性。