为实现大口径拼接光栅拼接误差的高频高精度补偿的工程应用, 提出了一种基于小口径反射镜补偿大口径拼接光栅压缩器拼接误差的方法。基于双程Z型压缩器, 分析了小口径反射镜补偿量与拼接误差的关系, 采用光线追迹法和夫琅禾费远场衍射原理定量计算了各拼接误差补偿后对远场能量分布的影响, 证明了该方法原理的正确性, 并得到了直接驱动光栅与反射镜补偿时的各误差容限, 结果表明该方法能极大降低拼接光栅的精度要求。

分析随机并行梯度下降(SPGD)算法用于多路大型固体激光装置相干合成中校正动态相差的能力。首先介绍了SPGD算法实现相干合成的基本理论,利用数值模拟方法对算法进行了优化,实现了两路基于SPGD算法的波长为800 nm、带宽为30 fs光束的相干合成实验,验证了在外加10,15,20,25 Hz动态相差条件下算法的特性,并进一步模拟了动态活塞相差和指向性相差的校正过程,分析了不同相位噪声强度和频率对校正能力的影响,计算了控制带宽与光束路数、算法执行速度之间的关系。结果表明:远场强度分布的平方和是高能短脉冲激光相干合成的最佳性能评价函数;采用自适应增益的方式时,在保证算法稳定性的前提下,提高了算法的收敛速度;随着相位噪声强度和频率的提高,算法的有效控制带宽减小;算法执行速度越快,光束路数越少,则算法控制带宽越大;受限于器件性能,SPGD算法不适用于4路以上带宽为30 fs激光阵列的相干合成。

波前畸变会影响平行光栅对压缩器输出脉冲的可压缩性和远场焦斑的质量。结合光线追迹法和夫琅禾费远场衍射原理建立了平行光栅对压缩器理论模型。同时分析了输入脉冲的波前误差、光栅衍射面的形变以及光栅波像差对压缩器输出脉冲远场焦平面时空特性的影响, 并采用蒙特卡罗方法数值模拟分析了其误差容许范围。为高功率激光装置中平行光栅对压缩器中进行波前畸变和光栅质量的控制提供了理论参考。

约束方式和晶体温度是影响磷酸二氢钾(KDP)晶体性能的两个主要因素。晶体在约束条件下，温度的变化使晶体产生热应力和热形变，破坏晶体原有的相位匹配条件，从而致使谐波转换效率降低。为了获得约束条件下温度与晶体匹配角的关系，建立了约束条件下晶体匹配角热敏感性的分析方法。利用有限元分析法，计算约束条件下温度变化产生的热应力和热形变分布；将热光效应、弹光效应以及热形变引入到匹配角的计算之中，获得匹配角的变化规律。以神光Ⅲ原型装置采用的晶体约束方式对该方法进行了验证。结果表明，该方法计算得到的神光Ⅲ原型装置晶体在约束条件下三倍频效率与温度的关系符合效率变化的实际规律。

分析了两种光栅拼接调整机构（三角形和L形），利用有限元分析软件对这两种光栅调整机构进行了模态分析和优化分析设计。相同光栅尺寸下（以口径为450 mm×420 mm×60 mm光栅为例），驱动器三角形分布的固有频率与L形分布的固有频率相差无几，一阶频率分别为58.816 Hz和58.864 Hz。对两种驱动器布置方式引入的误差进行了分析比较，计算结果表明:三角形调整机构的最大误差比L形的大，同时三角形分布控制算法较L形的复杂。在主动控制中三角形模型误差迭代次数多，不利于控制。因此L形的压电驱动器布置方式优于三角形。

激光惯性约束聚变(ICF)装置中靶场编组站镜箱内的温度控制是实现光学元件最小变形，保证光束质量的重要环节。建立靶场编组站镜箱数学和物理模型，采用流体动力学分析软件对靶场编组站镜箱内温度场分布进行了数值模拟，计算结果与实测结果吻合。分析了不同鼓风速度v及鼓风角度θ对镜箱内温度场分布的影响及稳定时间，结果表明鼓风速度越大，镜箱内温度场趋于稳定越快，而风速v大于1.3 m/s后，稳定时间的减小不明显；鼓风角度对镜箱内温度场稳定影响较大，有最佳值。当鼓风速度v为1.3 m/s，鼓风角度θ为20°时镜箱内温度场稳定时间最短，为77 min。且在鼓风机关闭后32 min内，镜片温差在允许范围内，最大值为0.009 K。

光栅拼接是解决光栅口径限制的一种有效途径，而光栅拼接的难点是子光栅的精密调整和稳定性保持。为实现子光栅的精密调整，采用了差动螺纹和压电驱动器两级驱动调整机构，子光栅调整精度可达纳米量级；为提高光栅拼接架结构稳定性，对影响光栅拼接架结构稳定性的因素进行了理论分析，根据分析结果,设计了新型的光栅拼接架，采用整体式支撑结构以提高光栅拼接架的固有频率，用柔性铰链代替弹簧以提高子光栅与光栅支撑架的联接刚度，光栅拼接架的稳定性得到大幅提高。经实验测试，拼接架的稳定时间超过1 h，子光栅间相对位移标准差为35.7 nm，拼接架满足使用要求。

在惯性约束核聚变(ICF)驱动器中，大口径反射镜是关键的光学器件，其稳定性直接影响着光束的指向和定位精度。随机振动和镜架结构参数是影响大口径反射镜架动态响应的主要因素。为明确随机振动激励大小及镜架特征参数对镜架动态响应的影响，实现对镜架动态响应的控制，采用有限元分析软件对大口径反射镜架在随机振动作用下的响应进行了分析，分析了激励功率谱密度、结构刚性和阻尼比等不同参数对大口径反射镜架动态响应的影响。分析结果表明：减小激励功率谱密度和增大结构刚性对减小大口径反射镜结构响应具有相同的作用,增大结构阻尼比效果最明显，但无论是减小激励功率谱密度、增大结构刚性以及增大结构阻尼比，其作用效果都在递减。

提出了一种大口径高精度2×2阵列光栅拼接结构，采用模块化和框架式结构设计，保证拼接结构的稳定性；设计了差动螺纹微调组件与压电驱动器相结合的微纳调整组件结构，实现拼接光栅微纳量级的调整要求；讨论了关键组件的设计和制造问题。设计制造的2×2阵列光栅实验样机的最大相对共面误差为17 μm，微纳调整组件的最小调整精度可以达到1.8 nm，分辨力为0.9 nm，初步光路实验表明，设计的拼接调整机构可以快速实时地调整2×2阵列光栅达到要求的精度，且稳定时间大于1 h。

温度梯度是造成惯性约束聚变(ICF)驱动器中大口径光学元件变形的重要因素之一,靶场编组站是大口径光学元件较为集中的区域。利用靶场编组站周围温度的测量数据,得出了靶场编组站镜架的温度分布及变化特点,应用有限元分析软件对靶场编组站镜架24 h分时段的热应力和变形进行了分析计算,结果表明,靶场编组站镜箱内温度变化趋势基本一致,顶部相对底部温度梯度较大,两侧相对中间温度较高。当靶场编组站内温差为0.01 ℃左右或局部温差为0.1 ℃左右时,光学元件的镜面转角小于0.24 μrad,能够满足稳定性指标要求。