自1982 年Gilbert 明确提出气动光学问题以来的理论和实践研究表明：气动光学畸变已严重影响机载/弹载激光能量系统及激光信息系统的性能。但是，由于气动光学畸变的高时间、高空间频率特征，现有的反馈控制自适应光学系统控制带宽尚不能满足高频气动光学波前畸变实时校正对系统带宽的需求。通过梳理近30 多年来人们致力于气动光学自适应校正所做的机理、测量、校正等方面的标志性研究工作，以明确气动光学研究的问题、现状及未来的研究思路，从而为广大气动光学研究者提供理论和技术参考。

针对由器件光谱特性引起的光栅光谱仪测量误差问题, 提出了一种误差校正方法, 并对该技术中的理论模型、数值提取算法和精度、误差校正精度进行了研究。首先, 在深入剖析光栅光谱仪工作原理的基础上, 建立了光谱误差校正的理论模型; 其次, 在研究光栅、探测器、反射镜等核心器件光谱特性曲线典型特征的基础上, 提出了器件光谱响应参数提取算法, 并对该算法的精度进行了实验研究; 最后利用本文所建立的理论模型和数值提取算法对光栅光谱仪测得的溴钨灯光谱进行了校正, 并将校正后的结果与溴钨灯标准谱线进行了比较。实验结果表明, 本文所提出的数值提取算法的平均误差为039%, 校正后的光谱曲线与溴钨灯标准光谱曲线一致, 说明本文所提出的校正技术能够有效消除器件光谱特性引入的误差。

谐振腔的自动准直调整技术是实现高能激光器系统自动化的关键技术之一。在对正支共焦非稳腔自动准直调整方法的研究基础上，应用基于系统性能评价函数无模型最优化的随机并行梯度下降(SPGD)控制算法实现腔的自动准直调整。实验结果表明该方法可实现腔镜的闭环控制准直调整, 其调腔共轴精度在一定程度上高于传统的人工调腔精度。

为提高基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的高分辨率自适应光学(AO)系统的有效校正带宽, 提出了分级SPGD波前校正的方法。在每一级SPGD波前校正中, 将高分辨率波前校正器的控制单元按位置分成多组, 每一组都施加相同的控制电压作为一个控制变量。采用的校正级越高, 独立的控制变量的数目也越多。多级SPGD自适应光学系统按从低到高的等级顺序对畸变波前进行校正。以一个具有16×16控制单元的分立活塞式波前校正器为基础建立了基于3级SPGD波前校正的自适应光学系统的数值模型, 并针对大气湍流引起的某一帧随机相位屏做了模拟校正实验。结果表明采用分级波前校正后收敛速度提高了23%, 此方法确实提高了基于随机并行梯度下降算法的自适应光学系统的有效校正带宽。

自适应光学技术可用于补偿高能激光系统出射光束的波前畸变以改善光束质量。为研究随机并行梯度下降(SPGD)自适应光学方法用于光束净化的可行性,分别采用高速光电探测器和高速变形镜作为系统性能评价函数的测量器件和波前校正器件,搭建了迭代速率为100 Hz的SPGD自适应光学系统,并且对通电电阻丝产生的湍流所造成的动态波前畸变进行了实时校正。实验结果显示,此套自适应光学系统能够对在4 Hz以下频率范围内缓慢变化的动态波前畸变进行实时校正,针孔中远场光斑的能量提高2.2倍,稳定性提高1.4倍。这表明SPGD自适应光学系统用于光束净化是可行的。

基于随机并行梯度下降(SPGD)方法的自适应光学(AO)系统通过直接优化系统的性能评价函数来控制波前校正器以补偿光束中存在的波前畸变。为了提高这种无模型优化自适应光学系统的收敛速度, 提出了基于分区域耦合的新方法以改进传统随机并行梯度下降自适应光学系统的工作方式。将波前校正器光学孔径分成多块子区域, 每块子区域对应着的所有驱动器作为一个整体控制单元, 从形式上可以得到一个空间分辨率较低的分区域波前校正器。该校正器与原校正器同步工作, 并采用随机并行梯度下降算法对同一个性能评价函数进行优化, 从而构成了双校正器的耦合工作结构。对256单元分立活塞式波前校正器建立了自适应成像系统的数值模型, 结果表明这种分区域耦合的随机并行梯度下降自适应光学系统比传统随机并行梯度下降自适应光学系统具有更快的收敛速度和更好的渐近态。

应用Hartmann波前传感器测量了准直平行光通过低速热射流后的畸变波前时间序列,对该时间序列进行本征正交分解得到系列本征函数和时间系数,对本征函数进行双线性插值处理得到未布置探测器处的本征函数值,新本征函数与时间系数相乘从而获得未布置探测器处的波前数据.在时域和频域比较了波前预测值与实际值,结果表明了该插值方法的有效性,从而实现对波前的高时间、高空间分辨率测量.

通过外加周期激励对气动光学流场中相干结构的发展进行相位调制,从而获得近似周期变化的畸变波前时间序列;通过计算各相位角畸变波前的平均值,并将其共轭波前作为相应时刻的校正信号应用于畸变波前的自适应校正.对比校正前后的近场相位分布以及远场Streh1比发现:该气动光学校正方案能有效地消除相干结构产生的大尺度波前相位畸变,同时提高远场的Strehl比.

应用哈特曼波前传感器测量了准直平行光通过低速热射流流场后的畸变波前时间序列,对该波前时间序列进行了本征正交分解(POD)和低阶近似研究,对比研究了16#,1008#数据点处的低阶近似波前时间序列和测量波前时间序列。结果表明,畸变波前可用本征正交分解基来展开,应用少量的低阶本征正交分解基即可捕捉到波前的主要信息,并且随着重构模式数的增加,低阶近似波前更加逼近测量波前。由于波面上不同位置处相位脉动量的空间相关性各异,因此选用相同的重构模式数时不同数据点处的重构精度也不一样。