研制了多功能、高精度的激光参数精密诊断系统, 整个诊断系统由基频光诊断模块、三倍频光诊断模块、在线损伤检测模块、开放式频率转换组件以及相应的辅助单元组成, 在系统控制软件调度下自动完成频率转换组件前后的光束近场、远场、能量、波前和脉冲波形等激光参数的精密测量以及数据采集、储存和处理, 为激光装置负载能力提升和相关关键单元技术的研究提供准确可靠的数据。

惯性约束聚变（ICF）激光驱动器中，准确测定片状放大器系统增益均匀性是装置系统设计的基础。本文基于CCD成像法实验测量了我国第一台单束输出能量超过万焦耳的ICF激光驱动器—大口径高通量验证实验平台片状放大器在5.28%/cm高增益情况下的增益均匀性。实验结果表明，在平均小信号增益系数为5.28%/cm情况下，通光口径范围内增益均匀性为1.09∶1（最大值/平均值），360 mm×360 mm光束口径范围内增益均匀性为1.06∶1，满足装置19.6 kJ/5ns大能量输出设计要求。

为了完成大口径高通量验证实验平台建造初期的三倍频能量测量, 采用凹面镜缩束方式取样的方法, 利用新型玻璃吸收元件完成光束的滤波, 实验测试了新型玻璃吸收元件对测试结果的影响。结果表明, 采用新型玻璃吸收元件可以获得干净的三倍频光, 剩余基频、二倍频光的影响在0.4%左右, 整个三倍频能量测量的测量不确定度可以控制在5%以内, 保证了激光装置能量测量的可靠性。

利用大口径高通量实验平台，同时使用科学光电耦合器件(CCD)和哈特曼测量了大口径片状放大器增益均匀性，并针对这两种测量方法提出了几种相应的处理方法，通过数值计算和分析，详细比较了不同测量方法和后期处理方法对增益均匀性产生的影响,确定了两种测量方法及其后期处理方法的有效性。结果表明，使用科学CCD测量增益均匀性，数据处理时采用多发次求平均再匀滑的方法既可规避测量产生的随机性，又进一步减小了增益分布的空间噪音；使用哈特曼测量增益均匀性，尽量使用点阵超过50×50的哈特曼，微透镜阵列点阵数量过少会降低增益塌边程度。

高功率固体激光装置主放大器是能量提取最多的一个环节，它受环境影响因素较多，难以建立考虑各因素影响的微观模型。目前，国内外还没有主放大器增益的精确预测模型和实验数据分析报道，现有预测模型较为粗糙。从统计角度对高功率激光装置主放大器增益的变换规律进行了分析，指出宏观上3种不同特点的增益变化，分别为增益的低频演化规律、增益随日运行发次的变化规律及增益的高频稳定性特性；并由此建立了包含权重因子的主放输出预测模型。通过神光Ⅲ原型装置的运行数据对建立的模型进行了考核，结果显示，与以往的单一发次的递推模型相比，新模型对增益预测的准确性可提高1倍。研究结果对大型固体激光装置的高效运行具有指导意义。

针对神光Ⅲ原型装置物理实验要求的三台阶整形脉冲（三个台阶的脉冲宽度比为1.5∶1.0∶0.5，强度比为1∶4∶16，脉冲总能量为500 J），并根据该装置的系统构成和具备任意脉冲整形技术，开展了高功率激光整形脉冲波形控制技术研究，通过对基频光段的增益饱和效应和三倍频光的频率转换过程的分析，获得了脉冲时间波形在传输、放大及频率转换过程中的一些变化特点，在此基础上建立了一套简单的预测模型。经过反复迭代计算和多次全系统联机实验获得了实验结果,并在物理实验中得到了应用，初步形成了高功率激光整形脉冲波形的控制方法。

为了优化高功率固体激光装置波前补偿系统的设计方案, 基于构型验证装置开展了波前测试和补偿实验。实验结果显示, 虽然等效钕玻璃片数大大增加, 但由于主放采用了“U”型反转器技术, 扣除离焦量后的静态和动态波前与原型装置相比没有显著提高, 主要变化为离焦分量。若不采取任何补偿措施, 会影响激光在前级滤波器的顺利过孔, 造成近场缺光现象。实验中, 为保证激光在动态发射时顺利过孔, 采用了调节透镜的方式, 使激光在各级滤波小孔位置有合适的预留量。同时, 利用原型装置现有的小口径变形镜对扣除离焦后的像差进行补偿, 减小激光在末级滤波小孔位置的像差。综合上述两种方法, 成功解决了近场缺光的问题。针对未来高功率固体激光装置, 伴随着光束口径和等效钕玻璃片数的增加, 主放大器内的像差也会大幅度增加, 采用上述调节透镜的方式可能无法兼顾静态和动态两种状态下的通光问题, 需要在主放大系统内增加主动补偿措施, 为腔镜变形镜的应用提供了实验依据。

针对物理实验要求的三台阶整形脉冲(脉冲宽度比为1.5 ns:1 ns:0.5 ns,幅度比为1:4:16),在神光Ⅲ原型(TIL)装置上开展了脉冲时间波形整形实验研究。首先,针对发射目标利用激光性能仿真模型预测注入激光系统的激光能量和脉冲波形。然后,在脉冲整形后进行不同功率的激光发射对脉冲波形进一步修正:利用实验测量的频率转换效率修正各光束1ω能量和1ω脉冲波形;通过拟合实验测量的能量数据修正注入激光能量;通过增益-通量曲线修正注入激光脉冲波形。最后,将各束注入脉冲波形再次折中作为脉冲波形调整的最终依据。实验结果表明,对靶面要求的3ω-3 ns-0.5 kJ(单束)的三台阶整形脉冲,8束脉冲波形与要求比较一致;三个台阶的束间瞬时均方根功率不平衡分别约为30%,10%和5%。

基于原型装置的光路设计,确定了采用半波片和偏振片实现对预放系统输出能量的精密控制的方案,并对该方案进行了流程设计和系统集成。通过实验验证了该方案的可靠性,实验结果显示:该方案可对预放系统的静态能量和发射输出能量进行有效的控制;可在30 s内将系统静态能量控制在3%以内,可在1~2发内使预放发射的输出能量的偏差迅速降到5%以内,且能量输出的结果有较好的重复性。