透明导电膜电光开关通过合理的结构设计可以实现高效的热管理，是一种理想的高平均功率开关器件。建立了透明导电薄膜电光开关的模型，采用优化的开关设计参数分析开关的时间特性和热效应。仿真结果表明,开关上升时间达到标称时间要求；在高平均功率负荷下，晶体温升所导致的退偏损耗对开关性能的影响很小。该构型的薄膜电极电光开关可以应用于重复频率运转下的高功率激光系统。

基于经典耦合波理论, 分析了透射型体Bragg光栅的衍射特性, 建立了透射型体Bragg光栅的设计体系。采用带有调制的超高斯光束, 对高功率激光系统的近场滤波进行了理论模拟, 采用软化因子、近场调制度、近场对比度分析了输出光束的近场质量, 采用功率谱密度函数分析了近场滤波对不同空间频率的滤除能力。研究结果表明, 近场滤波对0.3~2.0 mm-1的中、高频调制具有显著的滤除作用。

大口径倒腔式等离子体开关是神光Ⅱ升级装置倒腔式多程放大方案的关键单元，该方案要求等离子体开关能够在极短的时间内完成工作状态的转换。采用正负开关脉冲驱动的等离子体开关响应时间较长，无法满足装置的使用要求。基于Blumlein脉冲形成线结构的高压低阻抗开关脉冲发生器能够实现倍压输出，使单一脉冲驱动等离子体开关成为可能，从而大幅减小开关响应时间。单一脉冲驱动的350 mm×350 mm口径倒腔式等离子体开关理论充电时间约为54 ns，其开关响应时间可做到小于90 ns。实验测得的等离子体开关全口径开关效率大于99.7%，静态消光比大于381，时间窗口顶宽大于160 ns，底宽小于400 ns，上述指标均满足神光II升级装置的使用要求。

在高能重复频率运转的激光系统中，用作激光隔离、多程放大控制的关键单元普克尔盒遇到了通光口径限制与热效应的双重挑战。采用等离子体电极技术将普克尔盒定标到大口径，通过选择吸收系数小且通光方向薄的KD*P作为电光晶体以减少对激光的吸收，并在此基础上数值分析了等离子体普克尔盒的热效应。提出了端面传导冷却电光晶体的热管理方法，并进行优化设计。数值模拟结果显示，采用单块白宝石传导冷却2块KD*P，普克尔盒的驱动电压可降低至27 kV。在平均功率密度35 W/cm2的激光持续辐照下，端面传导冷却的40 mm×40 mm口径等离子体普克尔盒全口径内最大退偏损耗为0.22%，波前峰谷（PV）值为0.60 λ。

利用广义非线性薛定谔方程, 研究了聚焦激光通过透明介质时, 感应等离子体的位置、大小及其同激光参数的关系。计算发现：对于给定衍射长度的激光波包, 感应等离子体浓度最大值随入射激光功率的增加而趋于一恒定值, 感应等离子体区域的大小随着入射激光波包功率的增加而变长、变粗; 对于给定功率的激光波包, 感应等离子体浓度随着入射激光波包的衍射长度的增加而减少; 对于不同衍射长度的激光波包, 随着激光功率的增加, 感应等离子体向不同方向发展。计算得到的等离子体的位置和形状的变化同Gordienko等的实验结果非常吻合。该研究有助于理解感应等离子体在介质中的形成过程, 推动其在激光加工中的应用。

建立了平均功率激光辐照下，边界主动加热的电光晶体内3维各向异性热传输有限元模型及其热应力双折射模型，在此基础上分析了等离子体普克尔盒热效应。提出了边界主动加热控制电光晶体横向温度梯度热管理思想，并给出平均功率普克尔盒的光开关性能。结果表明：对于50 J/10 Hz、光束口径为50 mm×30 mm的激光系统，普克尔盒最大退偏损耗为3.58%，平均退偏损耗为0.9%，波前畸变为1.59λ。采用边界加热控制后，当加热功率密度为500 W/m2时，最大退偏损耗为0.17%、平均退偏损耗为0.05%、波前畸变为0.26λ，普克尔盒热效应显著降低，满足设计要求。

等离子体普克尔盒可以采用薄晶体,是大口径平均功率激光器理想的光开关器件。采用有限元方法,分析了20 mm口径重复频率等离子体电光开关的热光效应,模拟计算了在平均功率负荷下,3 mm厚的DKDP晶体由于热致双折射引起的退偏损耗为0.16%。采用电容分压技术,实现了基于DKDP晶体的等离子体电光开关的单脉冲驱动,通过针对重复频率等离子体普克尔盒的优化设计,研制完成了Φ20 mm口径、10 Hz重复频率等离子体电光开关样机,静态透射率97.2%,开关效率99.8%,开关上升时间11 ns。

建立了400 mm×400 mm口径单脉冲普克尔盒实验装置,采用小尺寸KDP晶体替代方案,完成了对400 mm×400 mm口径内不同区域时间特性的研究,并以此为依据获得使用全尺寸KDP晶体时普克尔盒的时间特性。通过对普克尔盒参数的优化设计,实现了全口径大面积高电导率等离子体的形成,气体击穿稳定,实验测得的普克尔盒不同区域的开关效率均大于99.5%。计算结果显示,在1200 Pa以及2000 Pa放电气压下,全尺寸KDP晶体普克尔盒的开关上升时间分别为78.4 ns和80.7 ns。

为了将等离子体电光开关应用在重复频率下,基于有限元法,数值模拟了重复频率激光负载下电光晶体吸收系数、电光晶体厚度、光斑边界和晶体边界相对距离、功率密度分布对电光晶体中温度场应变场分布影响规律。数值模拟表明,晶体内热沉积大小取决于吸收系数和晶体厚度,而温度场分布不仅和入射激光功率密度分布有关,还与光斑边界和晶体边界相对距离密切相关。结果表明,温度场分布和晶体热力学参量一起决定了晶体内应变场大小及分布。

基于有限体积数值方法, 给出传统脉冲工作模式下等离子体普克尔盒内流固耦合对流换热系数, 根据重复频率应用下热学要求, 对放电腔进行重新设计以增大对流换热强度。数值模拟显示：由于工作气压低、抽速小、放电腔设计未考虑热学需求, 传统工作模式下对流换热系数太低, 为1.01 W/(m2·K); 通过改变流体抽速、流体工作气压、增加进出口管道、改变进出口管道排布方式、增大进出口管道管径有效地提高了对流换热强度, 对流换热系数达到8.02 W/(m2·K)。