基于亚纳秒间隔的皮秒激光双脉冲，研究了双脉冲时域整形对K9玻璃表面烧蚀特性的调控规律。当子脉冲间隔为667 ps时，不同形状双脉冲下玻璃表面的烧蚀形貌随激光通量增加的变化规律明显不同，而泵浦通量起着决定性作用。当泵浦通量低于阈值时，双脉冲烧蚀特性基本与单脉冲相似；当泵浦通量在阈值附近时，泵浦脉冲对玻璃表面的微纳米尺度的烧蚀会显著增强探测脉冲的烧蚀效应。当泵浦通量高于1.3倍阈值时，泵浦脉冲在玻璃与空气界面附近产生冲击波，探测脉冲被冲击波的高密度前沿界面反射和干涉，在中心烧蚀区域周围产生了圆环状烧蚀形貌，且圆环分布与探测通量密切相关。双脉冲烧蚀的内径尺寸与泵浦通量相关，而外径尺寸与双脉冲的形状、通量均相关。对比研究了子脉冲间隔为333 ps和667 ps时的等通量双脉冲烧蚀形貌，结果发现：低通量下较小的脉冲间隔可以增强烧蚀效应；高于烧蚀阈值的泵浦脉冲会影响探测脉冲的能量沉积；两种脉冲间隔下环状形貌的不同反映了泵浦脉冲产生的冲击波的传输特性不同。最后基于实验结果讨论了双脉冲序列时域整形进行表面烧蚀调控的物理机制。

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。

真空环境中高功率激光装置光学元件表面的有机物污染是限制其负载能力的原因之一。针对装置中常见的有机物污染和三倍频激光溶胶凝胶减反膜，通过精确控制真空环境中污染源的挥发扩散，制备了有机物质量面密度不同的元件表面，定量研究了有机污染物质量面密度对溶胶凝胶减反膜光学性能及损伤特性的影响规律。实验结果表明：样品表面粗糙度、透过率、损伤阈值等的变化量均与有机物质量面密度成正相关。有机污染物沉积量较少时，由于膜层孔隙被填充，膜层的表面粗糙度略有减小；随着沉积量增加，有机物附着影响表面形貌，粗糙度显著增加。溶胶凝胶减反膜在351 nm波长处的光学透过率随着有机物质量面密度的增加而逐渐降低，这与有机物分子改变溶胶凝胶膜孔隙填充比有关。样品表面的激光损伤阈值变化量和损伤面积随着有机物质量面密度的增加而增加，而且不同有机物沉积量的光学表面的损伤形貌存在显著差异。基于实验结果讨论了有机物影响溶胶凝胶减反膜性能的机理，并探讨了高功率激光系统的洁净度控制方法。

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。

为了降低铝合金因激光辐照而产生颗粒污染物的几率,研究了激光冲击强化对纳秒激光辐照5052铝合金诱致污染物产生规律的影响。首先采用不同功率密度的纳秒激光对5052铝合金试样进行冲击强化,而后采用纳秒激光对激光冲击强化后的5052铝合金试样进行辐照-洁净度测试,最后对比分析激光冲击强化前后5052铝合金试样表面硬度、形貌、粗糙度及因激光辐照诱致污染物产生规律的变化。研究结果表明:激光冲击强化在提高5052铝合金表面强度的同时,对抑制低通量激光辐照(不高于0.65 J/cm ²)导致的污染物产生同样是有效的;对于粗糙度Ra为1.6的5052铝合金表面,经聚焦光斑直径为2.2 mm的高斯脉冲激光(光斑搭接率为50%,波长为532 nm,脉冲宽度为14 ns,功率密度为0.75~1.88 GW/cm ²)冲击强化后,低通量激光辐照阶段,激光诱致污染物(粒径为0.3~0.5 μm)数量降低25%~50%。研究结果为5052铝合金因激光辐照,尤其是低通量激光辐照而产生污染物的控制提供了一种新的方法。

颗粒污染物是高功率激光装置光学元件损伤的诱因之一,掌握污染物产生规律是解决污染诱致损伤问题的基础。针对本色氧化工艺处理前后的5052铝合金样品,研究了激光辐照样品诱致亚微米和微米尺寸气溶胶颗粒的产生规律,分析了激光能量密度、脉冲数目、激光光斑直径、表面粗糙度等参数对颗粒物数量的影响。结果表明:颗粒物数量和激光光斑面积呈正相关;激光能量密度低于烧蚀阈值时,颗粒物产生于第一个脉冲辐照过程,高于烧蚀阈值时,表面颗粒物数量随着激光能量密度增加而逐渐增加;随着激光脉冲数目的增加,本色氧化5052样品产生颗粒物的数量逐渐增加,而5052样品产生颗粒物的数量变化不明显。两种不同表面工艺样品产生颗粒物的规律存在较大差别;低于烧蚀阈值时,两种样品产生的颗粒物数量相当;在烧蚀阈值附近时,颗粒物数量存在陡增现象;高于烧蚀阈值时,本色氧化5052样品产生的颗粒物数量显著多于5052样品。研究结果为高功率激光装置中铝合金表面处理和洁净控制提供了参考依据。

结合非线性强度和相位调制作用,研究束匀滑相位板整形焦光斑在焦面附近传输变换的特性。采用衍射光学理论方法来计算三维空间离焦面上的光场分布,引入光斑落点漂移和光强对称度两个指标参量来表征光斑在传输演化过程中的性能。研究分析了高通量激光辐照下非线性效应对连续相位板整形焦斑的影响,尤其是楔形透镜厚端和薄端的较大差异引起的小尺度自聚焦强度调制差异,该差异使得光斑传输至焦点后的一段距离后开始渐渐偏离光轴,同时其整体强度分布也出现不对称度偏置。结果表明,非线性强度畸变的影响远大于相位畸变的影响,在给定激光装置光路中5 GW/cm ²功率密度的入射条件下,焦点后4 mm处光斑落点漂移超过0.1 mm,光强左右不对称度偏置达到30%。

为适应高功率激光系统的紧凑空间需求，将基于二阶鬼像的远近光场耦合方案应用于高功率激光准直技术中，设计并搭建出灵敏的小型准直光学系统。提出完备的测试方案，验证了该方案的可行性，获得近场测量灵敏度为7.04 μm/pixel，远场测量灵敏度为18.14 (″)/pixel，并得到远场变化对近场的影响关系，用以优化光束校准。相比于传统远、近场分离的准直系统，该方案在满足成像质量和分辨率要求的同时，大幅缩减了光路和器件数量，远、近光场相互影响和校准的反馈处理更便捷。

实验研究了纳秒激光辐照下不同材料的工程陶瓷表面的抗激光损伤能力, 并与不锈钢、铝合金等金属材料进行了对比.结果表明, 不同材料的工程陶瓷表面抗激光损伤特性不同; 氧化铝陶瓷的损伤阈值最高, 氮化硅陶瓷的损伤阈值较低.与金属材料相比较, 工程陶瓷表面损伤阈值比不锈钢和铝合金高.由于材料的熔点和热传导率等热力学特性不同, 不同的陶瓷材料具有不同的损伤阈值和损伤形貌.理论分析了不同材料抗激光损伤阈值的差异; 陶瓷材料的吸收系数远远小于金属材料, 吸收系数通过影响能量沉积区域和有效热扩散速率影响材料温度的演化过程, 最终影响着材料的激光损伤阈值和损伤特性.实验结果为高功率激光装置中对抗激光损伤能力要求较高的机械支撑材料的选择提供了指导.

考察了利用皮秒激光烧蚀切割K9玻璃过程中后表面的烧蚀损伤现象, 比较了前、后表面的烧蚀特性, 分析了激光能量密度、扫描次数和扫描速度等因素对后表面损伤的影响。根据后表面烧蚀形貌和质量, 优化了激光单行单次扫描时的激光能量密度和扫描速度等参数。讨论了后表面烧蚀损伤的机理, 提出了抑制后表面损伤的方法。实验结果表明, 激光聚焦在前表面进行烧蚀切割时, 后表面会出现严重的烧蚀损伤, 且后表面烧蚀形貌和规律与前表面的显著不同。