“热像”是造成高功率固体激光装置光学元件损伤的重要物理机制。理论分析了相位缺陷经过非线性传输引起的“热像”特性,提出了带通成像提取引起“热像”的相位缺陷关键频谱方法,构建具有典型特征的16个相位缺陷,利用3种光路结构,量化分析了“热像”特性与带通成像特性间的关系,并获得了缺陷带通成像的相对亮度与“热像”强度的线性关系,相关程度与光学构型和带通滤波参数有关。研究结果对“热像”预判有重要意义,为高功率激光装置相位缺陷的检测奠定了技术基础。

为了满足透明导电薄膜轻便、可折叠、高分辨率及快速响应的需求,在AZO单层透明导电薄膜研究基础上,尝试在柔性PET衬底上制备AZO/Ag/AZO三层透明导电薄膜。先利用光学薄膜设计软件对膜系进行设计优化,再参照此优化值制备研究不同AZO、Ag层对AZO/Ag/AZO薄膜光电性能的影响。通过合理的实验设计与对比,发现在柔性PET衬底上制备的三层AZO薄膜与在硬质衬底上制备的薄膜光电性能相当,且当三层AZO/Ag/AZO薄膜中AZO层厚度在40~45 nm,Ag层厚度8 nm时,在可见光波段的透过率高达到92%,电阻率低至4.0×10-5Ω·cm,透明导电薄膜的品质因子最高为12.6×10-2Ω-1。得到的AZO/Ag/AZO三层透明导电薄膜具有与常见的ITO薄膜相比拟的性能。

大口径KDP/DKDP晶体在强紫外光辐照下产生横向受激拉曼散射效应(TSRS),受激放大的拉曼散射光将导致激光能量损失甚至激光损伤,测量DKDP晶体TSRS增益系数对设置激光装置的运行区间以确保晶体的安全使用非常重要。采用高精度光谱仪探测大口径DKDP晶体(氘含量65%)在351 nm激光辐照下的横向拉曼散射信号,得到了拉曼散射光的增长曲线,拟合得到的拉曼增益系数为0.109 cm/GW。同时,实验结果表明晶体体损伤不影响TSRS增长行为,表明晶体体损伤对拉曼增益系数测量结果的影响可以忽略。

通过对多种频率转换方案的深入对比分析, 设计了一套兼容多波长及多脉宽高效输出的频率转换系统。采用“Ⅱ+Ⅱ”类双晶体级联的方式, 可以实现“偏振失配”三倍频和Ⅱ类双晶体正交级联二倍频两种模式间的快速切换。通过数值模拟程序优化了晶体构型, 结果表明, 当两块晶体厚度均为10 mm时, 可以兼顾低功率长脉冲和高功率短脉冲对效率和稳定性的需求。

研究强激光长程空气传输受激转动拉曼散射(SRRS)效应，寻求抑制措施是高功率固体激光驱动器建造中需要解决的关键问题之一。采用数值模拟的方法研究了发散光长程空气传输SRRS效应的演化规律，通过几何近似理论推导了该效应有效建立时的强度距离乘积阈值和抑制判据。结果表明：发散光长程空气传输SRRS效应的建立速度小于平行光，二者阈值有理论关系；能够有效抑制SRRS效应的发散角设计判据由光束口径、激光强度及安全传输距离决定。

主要研究大口径KDP晶体的高强度三倍频性能。采用正交偏振干涉法测量了晶体的光轴均匀性分布，并在神光III原型装置上利用快速生长二倍频晶体开展了高强度三倍频实验，验证了折射率均匀性分布对三倍频效率和近场的影响。实验结果表明，大口径快速生长KDP晶体的三倍频性能基本上满足神光III装置的要求，但快速生长晶体的受激拉曼散射增益系数和激光损伤阈值等性能仍有待进一步考核。

研究了强激光长程空气传输过程中主光束能量损耗与光束质量退化效应。使用1053 nm单波长、线偏振、脉宽3 ns平顶激光脉冲于空气环境中长距离传输，当入射光强与传输距离乘积大于13.7 TW/cm时，传输末端测得的光束光谱分布中出现了多种散射光频率成分，各散射光成分和1053 nm主激光间的频率差与氮气分子不同转动能级间跃迁频率一致，证明氮气分子的受激转动拉曼散射效应已建立。受激转动拉曼散射过程中，入射光束功率密度微弱变化所产生的散射光能量变化剧烈。入射光强与传输距离乘积大于17 TW/cm时，传输末端光束近场分裂为无序密布特征尺寸约1 mm的热斑，峰值通量密度远高于入射光束通量密度。

研究了光线追迹和随机相位滤波作为初始相位设计的连续相位板下, 光束畸变对连续相位板整形性能的影响。结果表明：随机相位滤波得到的连续相位板相比光线追迹获得的连续相位板, 在幅度畸变、离焦的容忍度等方面都有优越性;进一步分析了相位畸变、对准误差、口径误差等对连续相位板性能的影响, 确定了相位畸变是影响性能的首要因素, 并且大目标焦斑的畸变宽容度更大, 由此引入了波前的相对畸变因子, 在所定义的连续相位板性能标准下, 波前容忍度为0.5。

光学元件“缺陷”制约着高功率固体激光装置负载能力的提升。从统计角度建立了振幅调制型“缺陷”模型,并针对神光Ⅲ原型装置助推放大级分析了“缺陷”分布的统计参量与光束近场质量的关系,得到了一般规律。结果表明,“缺陷”总密度的增加和幂指数的减小都使系统输出光强的中高频成分增加,光束近场质量变差;总密度的变化引起光强各中高频成分变化的幅度近似相等,频率间相对比重基本保持不变,幂指数的变化却会引起各频率间相对比重发生变化;一定范围内,“缺陷”尺寸越大对近场质量的影响越严重;对于助推段,需将元件的“缺陷”总密度控制在600 cm-2以下,幂指数控制在2.5以上。研究结果可为降低元件的损伤风险以提高系统的运行负载提供参考。

基于激光非线性传输和频率转换理论, 研究了频率转换中基频光与三倍频光相位关系对光束近场带来的影响。结果表明, 三倍频光近场对比度急剧增加对应的基频光B积分比频率转换前基频光近场对比度急剧增加对应的基频光B积分要小很多, 在基频光B积分远小于1.8 rad时, 三倍频近场也会成丝分裂。这对神光III原型装置首束集成实验终端光学元件（FOA）出现的不寻常损伤作出了合理的解释。对实际工程中如何降低终端光学元件的紫外损伤风险有重要的指导作用。