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。

为满足高功率激光装置光路自动准直系统的高精度要求, 提出一种光束非垂直过孔状态下椭圆光斑的光斑差值快速调节法, 并引入局部自适应阈值二值化算法提高准直图像的定位精度.当椭圆光斑长短轴差值较大时, 利用基于最小二乘法的椭圆拟合改进算法, 求出椭圆光斑长短轴的轴长, 通过远场反射镜调节长短轴轴长差值以调节光斑形状, 直到获得规则的圆形光斑.分析了圆光斑中心与基准位置的偏差值, 将差值转为闭环控制的步进电机调整步数, 实现了高功率激光装置光束的快速自准直.该算法应用在某高功率激光装置光路自动准直系统中, 结果表明, 远场指向精度优于0.033″, 优于目前高功率激光准直系统准直效果, 提高了激光光束的指向性精度.

为提高自动准直效率, 结合以太网, 设计出一套新型光路自动准直控制和检测方案.该方案采用基于耦合矩阵的前馈补偿及图像Jacobian矩阵的近远场串并行准直方式, 并引入局部自适应阈值和二值化算法, 同时将模糊控制算法运用到步进电机的调整过程中, 提高光束近远场图像的处理精度, 降低系统的准直时间.实验结果表明, 该准直系统远场的平均调整误差为空间滤波器小孔直径0.44%, 能够满足准直系统远场调整精度(小于小孔直径5%)的要求, 准直时间由原有的30 mins缩短至12 mins左右.

单层校正自适应光学系统只能在较小视场范围内对大气湍流进行有效校正,多层共轭自适应光学技术可以突破这种限制。介绍了层向多层共轭自适应光学系统基本结构及工作原理, 研究了层向多层共轭自适应光学系统的模拟, 内容包括: 如何产生动态大气湍流波前数据、基于四棱锥波前传感器的波前复原算法、基于模式法的变形镜闭环校正控制过程等。对单层和两层的层向共轭自适应光学系统进行了模拟仿真, 仿真结果表明: 层向多层共轭自适应光学系统采用了更多的导星来校正两层大气湍流, 比单层校正自适应光学系统具有更大的校正视场和更好的校正效果。

四棱锥波前传感器具有空间采样率高和光能利用率高等优点。要准确地从光瞳像中提取待测波前的斜率信息，需要事先对光瞳像的尺寸和位置进行标定。分析了光瞳像尺寸标定误差和位置标定误差对自适应光学系统闭环校正效果的影响。提出了一种对无调制四棱锥波前传感器光瞳像进行标定的方法，并在考虑系统像差和探测噪声的条件下对该方法进行了多次仿真实验验证。分析结果表明，即使系统存在像差（均方根小于1.7λ），该方法仍可以对光瞳像的尺寸和位置进行准确标定。该方法可应用于实际自适应光学系统。

大气湍流三维波前复原是星向多层共轭自适应光学中的关键技术。分析了星向多层共轭自适应光学系统中的大气湍流三维波前模式复原算法，并对该算法进行了数值仿真验证和误差分析。分析结果表明：当对2层大气湍流进行三维波前复原时，若采用自然导星，因平移像差不能被探测，导致平移和倾斜两种模式不能被准确复原；若采用激光导星，因平移和倾斜像差不能被直接探测，导致平移、倾斜、离焦和像散几种模式不能被准确复原；当对3层大气湍流进行三维波前复原时，模式混淆总是存在，无法消除，各层大气湍流波前不能被准确复原；当观测目标在探测高度的波前被自然导星光束完全覆盖时，其波前可以被准确复原。

For the Fizeau optical interferometric telescope system, the co-phasing detection of piston errors between subapertures plays an important role in realizing the high resolution of system. In this paper, the relationship between piston error and the main peak displacement of monochromatic interferogram of two sub-aperture system is analyzed based on physical principles, then the piston error detecting method is developed and clarified based on their linear relationship in the range of one wavelength. Furthermore, an innovative co-phasing detecting method based on grating dispersed interferogram with bandwidth light source is proposed, and its feasibility, detecting precision and dynamic range are analyzed in theory and studied in simulation. The results prove that with this method, the piston error between the two sub-apertures of the system can be soundly detected and its measuring error is less than 20 nm while the piston error is not more than 50 μm. In addition, the novel method solves the problems of 2π ambiguity and direction determination that might exist within some other detecting methods. Besides its millimeter level dynamic range, this new co-phasing detecting method provides a new way and an effective reference for in-depth research of co-phasing detecting techniques.

This paper describes the development of a novel infrared point-diffraction interferometer (IPDI), which can be readily applied to real-time quantitative phase measurement. We generate reference wave with the help of Michelson-like unit combined with a low-pass spatial filter, and extract the phase information using windowed Fourier transform algorithm from single off-axis fringes. The arrangement of the proposed setup offers a quasi-common-path geometry, which could significantly minimize the systematic errors. The proposed method of IPDI is effective and sufficient for the dynamic process measurement of small deformation with higher spatial resolution compared with the conventional off-axis scheme. The feasibility of the proposed setup is demonstrated, followed by methods of reconstruction and system calibration. The nanoscale repeatability is achieved in our experiment.

介绍了一种结构简单紧凑、可用于高精度实时相位波前测量的红外点衍射干涉仪，采用类迈克耳孙的光学结构，并结合低通小孔滤波，同时使用窗口傅里叶变换的方法解调单幅离轴载波条纹。与传统波前测量技术相比，所提出的准共光路的光学系统结构有效地抑制了系统像差及外部环境干扰等对测量结果的影响，实现高精度和高分辨率的波前探测。实验结果表明，该方法能够实现高精度的相位测量，且其重复精度达到了纳米量级。

将光束动态分布的概率分析加入到传统稳定性设计过程之中，提出了一种基于动态分布的光束稳定性分析方法，并以大型激光驱动器中的空间滤波器为分析对象，讨论了在不改变光学参数的基础上，如何利用该方法对滤波器的结构特性进行优化。结果表明，该方法能够对元件间的相对参数值提出要求，有别于传统方法仅着眼于提升单个元件的稳定性的设计思路。与传统方法共同运用，同时对光束的动态范围和分布类型进行优化，能够进一步改善系统的稳定性，为装置运行提供稳定可靠的基础平台。