为了同时满足激光装置对大口径反射镜面形精度和结构稳定性的控制要求,提出了一种反射镜多自由度解耦的多点夹持方式,通过限位实现对反射镜多自由度的控制,以此避免由夹持带来的附加面形。采用有限元法分析了所提方式的有效性,并通过实验验证了分析方法及该夹持方式的可行性,结果表明采用该反射镜夹持方式带来的附加面形较小,满足反射镜低应力附加夹持面形的要求。在此基础上,对45°倾斜放置的反射镜的面形进行了模拟,探究了不同夹持点位置分布对反射镜面形精度的影响规律,模拟结果表明:为了保证反射镜的面形精度,至少要有一个夹持点位于反射镜的长边。该研究成果对大口径反射镜夹持设计具有重要的指导意义。

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。

大型激光装置具有结构复杂、设计与仿真模型众多以及数据多样等特点，并且设计与仿真结果通常使用不同的软件平台进行展示，没有形成统一的集成平台和数据可视化及交互系统。针对上述问题，提出了一种基于三维引擎Three.js和数据可视化库Vis.js的激光传输数值模拟数据三维可视化方法，并开发了相应的可视化系统。首先给出激光传输数值模拟数据三维可视化系统的体系结构，然后对功能模块的划分和关键算法进行设计，并给出系统的实现手段，最后对系统运行效果进行展示与总结。结果表明，所开发的系统可用于大型激光器激光传输结构设计结果和模拟数据的可视化，能有效改善激光驱动器光路设计和传输模拟的可视化效果。

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。

根据高功率激光装置中波前畸变分段的特点，提出通过构造不同频段的波前畸变来研究相干合成结果与波前畸变之间的关系。以神光-III原型装置的结构和参数为模型，利用蒙特卡罗方法进行了数值模拟，分析了低频、中高频波前畸变对相干合成的影响，并给出了低频和中高频波前畸变与相干合成结果的对应关系。为高功率激光装置中进行波前畸变控制, 实现相干合成提供一种分析思路和理论参考。

晶体拼接技术能够解决光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)过程中非线性晶体口径受限问题，从而有效地提高放大器的输出能力。晶体加工误差补偿是晶体拼接要解决的核心问题之一。对拼接晶体加工误差对光束质量的影响进行了分析，设计了拼接晶体加工误差补偿方案，设计并加工完成拼接晶体加工误差补偿能动反射镜。通过实验验证了拼接晶体加工误差补偿方案的可行性和稳定性，同时证明了该系统满足晶体拼接要求。

基于推导的倍频晶体匹配角与温度关系的理论分析,揭示了温度对频率转换过程影响的热光物理机制。数值模拟了频率转换过程中二倍频与三倍频晶体的匹配角热敏感性。由于不同晶体材料热敏感性的差异性,实验获得了激光装置中所用晶体材料的匹配角随温度变化的关系曲线。理论分析了不同输入功率密度情况下匹配角失谐对三倍频过程的影响,并在线验证了温度变化导致匹配角失谐,进而引起三倍频转换效率的下降。根据实验获得的晶体匹配角的热敏感性参数,提出利用晶体角度跟随方法进行三倍频转换效率补偿,实现了三倍频能量的稳定输出。