研究光腔内导引光的往返振荡物理过程与传播特性有助于理解、判断光腔的准直失调状态。离轴非稳腔作为一种兼具高提取效率与高光束质量的混合非稳腔，调腔导引光在离轴非稳腔中的振荡物理过程研究鲜有报道。通过理论计算与实验研究了导引光在离轴非稳腔内的多光束干涉过程及其远场传播特征，在实验中搭建了离轴非稳腔（X方向为平凹稳定腔，Y方向为共焦非稳腔）导引光研究装置，通过凹球面镜小孔注入波长为632.8 nm的基模高斯光束，开展了光腔准直与导引光远场图样研究，实验结果与计算结果吻合较好。计算与实验结果表明：离轴非稳腔的干涉图样与传统共焦非稳腔/稳定腔不同，调腔导引光在腔镜小孔注入处出现椭圆“水滴”状干涉图样，该图样亮度较高，可以用于判断光腔的准直状态。输出导引光的远场光斑在Y方向上是不同振荡阶次的亮核光斑，其中高阶次亮核光斑可用于指示红外激光的远场光斑位置。

提出并研究了一种气流方向Z型折叠离轴混合非稳腔，应用在小型化DF气流化学激光装置中(增益体积为30 mm×40 mm×125 mm)，实现了平均功率550 W、光束质量β值1.8(稳定腔方向β值为1.5，非稳定腔方向β值为1.9)、光谱覆盖3680～4089 nm的中红外连续激光输出。该腔在气流方向是平凹稳定腔，并且进行了Z型折叠以减小稳定腔方向上的增益尺寸；在高度方向是正支共焦非稳腔。针对稳定腔方向上远场光斑从高阶横模振荡到基横模振荡的物理过程进行了理论计算与实验研究，光腔振荡的计算结果与实验结果吻合较好。计算与实验结果表明，气流方向Z型折叠离轴非稳腔可用在小型化、紧凑型DF气流化学激光装置中，实现高功率、高光束质量中红外连续激光输出。

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。

基于惠更斯-菲涅耳衍射理论进行数值计算,发现柱面望远镜整形系统的柱面镜旋转失调不仅会导致平行光束远场焦斑旋转倾斜,还会导致其在倾斜方向上出现拉长、离焦现象,该像差来源于柱面镜旋转导致的像散与离焦的叠加,上述结果说明远场焦斑的离焦也可以出现在旋转失调的柱面镜整形系统中。此外,定量给出包含激光中心波长、整形光束尺寸、柱面镜间距、放大率的归一化相位系数与远场焦斑形态的相关关系,该系数可以用于评判柱面整形系统对柱面镜旋转失调的敏感度。最后搭建了相应的实验装置进行验证,实验结果与计算结果较好地吻合。

综合考虑调制深度、调谐率、自由光谱范围、走离角等各项因素，设计了一组Lyot型双折射滤波片，由三块厚度相同的白宝石晶体构成，每个滤波片厚度为9 mm，三块滤波片同光轴方向平行放置。为减小光在滤波片表面的反射损耗，光以布儒斯特角入射透过滤波片组。通过设计光轴与晶体表面的夹角为63°，绕其面法线旋转滤波片组，可以实现从3.6~4.3 μm不同波长的可调谐输出。考虑到滤波片的加工误差和入射角度的调节偏差，分别对不同光轴倾角和入射角度进行了计算，可以通过旋转双折射滤波片组实现输出波长的校正。Lyot型双折射滤波片插入损耗小，使用简单，操作方便，有较好的调谐和选频作用，对于研究DF化学激光器众多谱线中的单支或者多支有着十分重要的意义。

为了提高强激光系统中输出光束的光束质量, 提出了一种利用三光斑来探测离焦的方法, 该方法能够在探测器上横向探测光束轴向上三处位置的光斑尺寸, 通过三光斑间的尺寸关系可计算出光束的离焦量, 进而根据离焦量进行闭环校正。实验中通过调节整形系统对光束的离焦量进行离焦补偿, 使得光束离焦量从(4.9±0.2) mm校正至(0.3±0.1) mm。实验结果表明, 该方法结构简单, 能够测量各种因素引起的强激光的发散会聚度, 给出了离焦补偿的可靠判据, 为解决强激光热效应造成的光束发散提供了一种新方法。

提出了一种利用非球面镜对圆环形光束进行非线性整形的方法，该方法利用两个高次非球面镜片小角度放置组成光束变换光路，能够在几乎不损失功率的情况下灵活调整环形光束的遮拦比和强度分布，也能够实现空心光束和实心光束的相互转换，且镜片加工难度低。实验结果表明，利用该方法搭建的光路与理论分析结果吻合较好，能够较好地对光束进行非线性整形。

为满足激光束对远处目标辐照强度的要求，减小热效应对输出光束性能的影响，提出了一种基于整形光路的高能激光低阶像差校正方法。该方法根据波前探测器测到的光束波前畸变，利用激光器整形光路固有的光学元件和调整机构，通过高精密电动平移台和快反镜的快速动作，动态调整各镜片的间距，实时校正激光束的低阶像差，使输出光束恢复至平行出射，从而显著减小激光束的热漂移和热畸变，有效避免了长时间出光时光束的持续发散，极大改善了输出光束性能。试验结果表明，该方法具有校正量大、控制方便、结构紧凑等优点，能够很好地改善激光器输出光束质量，显著提高激光束远场作用效果。

电激励连续波 DF化学激光器使用质量流量控制器作为流量监控系统时, 对其输出功率与 N2气、主 He、NF3气、副 He、 D2气的流量关系进行了研究。考虑到激光器的输出不稳定性和功率计的测量误差, 实现了激光器基模最大输出功率约为12.5W, 连续运行时间约 30 min。并与使用浮子流量计做为流量监控系统的同一激光器的输出功率进行了比较, 结果显示, 使用质量流量控制器时, 流量稳定性更高, 激光器可以输出更高功率, 且具有更好的功率稳定性。