从惯性约束核聚变(ICF)装置中具有重要作用的大口径激光传输反射镜出发, 基于中国神光-Ⅲ主机装置的工程实践, 分析了大口径激光传输反射镜夹持工艺的技术现状和难点, 建立了大口径反射镜受夹持力变形的通用力学模型, 提出了基于挠性零件的全新低应力夹持工艺, 并利用有限元仿真和现场实验相结合的方法对挠性零件的力学特性进行了工艺效果验证。基于挠性零件的特点设计了新的全口径反射镜组件, 对比研究了新旧工艺下夹持力对面形畸变(波前误差)的影响。最后, 结合全新反射镜组件和夹持诱导畸变数值解耦方法构建了更加高效的完整装配工艺流程。该研究对解决大口径光学元件夹持诱导变形这一难题具有重要意义, 有望为建设下一代ICF装置提供更加高效、可靠的技术方案。

预放系统 20 kJ能源是为激光预放大器棒状氙灯提供泵浦脉冲的能源系统, 是神光 -Ⅲ主机高功率固体激光装置的重要组成部分。预放 20 kJ系统能源触发放电的稳定性严重制约预放系统的调试效率和正式的激光打靶效率。针对预放能源系统在与 A1/A2/A3光束组预放系统棒状放大器联合调试过程中发现存在提前放电、放电不同步和不放电等问题, 开展了预放 20 kJ能源系统触发放电的稳定性研究, 提出了相应的解决措施并通过试验验证, 将 20 kJ能源系统触发放电的稳定性大幅提高。

介绍了中物院激光聚变研究中心在神光-Ⅲ主机装置建设、大口径高通量验证实验平台研制、神光-Ⅲ原型装置运行与性能提升、支撑激光驱动器建设的精密装校与洁净处理技术和精密光学检测技术、星光-Ⅲ激光装置建设、PW量级全光参量啁啾脉冲放大系统技术以及高功率波导激光技术等方面的主要研究进展情况。

为了解决空间滤波器滤波针孔堵孔问题，提出了一种新型柱面镜空间滤波器，新型柱面镜空间滤波器由柱面镜和狭缝构成。利用线性传输理论，对高功率激光束在新型柱面镜空间滤波器中的传输特性进行了数值模拟。结果表明：新型柱面镜空间滤波器的焦斑面积比传统滤波器大，而焦斑功率密度较小；新型柱面镜空间滤波器的滤波效果与传统滤波器相同，近场均匀性也相同。因此新型柱面镜空间滤波器能够抑制空间滤波器堵孔效应，可以缩短空间滤波器系统透镜焦距，从而提高功率装置的整体性价比。由此，采用新型柱面镜空间滤波器替换传统球面镜空间滤波器具有可行性。

为研制高功率的板条功率放大模块, 对Nd:YAG板条激光器的增益介质的热结构进行了研究。采用有限元方法仿真了高功率激光二极管阵列端面抽运Nd:YAG板条介质的温度、应力分布, 数值模型考虑了抽运光在介质内的不均匀分布。结果表明,板条介质掺杂和未掺杂结合部位温度和应力最高, 是整个板条介质的薄弱环节, 应优化设计避免板条破裂。以此为参考设计高功率放大模块, 而后搭建激光放大链路, 种子光功率2.5 W, 通过一级预放模块四程放大后, 再经过四级功放模块双程放大, 实现了11 kW激光输出。实验中测量了高功率抽运条件下增益介质的温度分布,与数值仿真结果基本符合。

基于小信号增益公式、菲涅耳反射公式和判断内腔四程放大高功率激光系统寄生腔增益与损耗大小,研究了2个光路构型相似,寄生腔构成相近的高功率固体激光装置(装置A和装置B)的系统寄生振荡问题:首先指出了系统中存在可能起振的3个寄生腔,然后分析了3个寄生腔中影响损耗的各个因素,根据装置A上的实验结果,判断在仅通过钕玻璃片检偏的情况下,装置B的第3寄生腔存在产生寄生振荡的可能性,最后采取加入一组偏振片的方法抑制寄生振荡。

基于衍射理论和非线性小尺度自聚焦的纹波理论，推导了不同频率下的纹波经过非线性介质传输后的解析式．通过解析分析，得到了不同空间频率波前畸变的非线性增长特性．结合驱动器装置对打靶焦斑的要求，研究了波前空间频率的划分方法，并根据国内装置的特点划分了波前空间频率高中低频分界点．

实现惯性约束聚变(ICF)需要高质量的远场,而远场是由聚焦前光束的相位和振幅决定的。对高功率固体激光装置,其输出光束的振幅分布主要由注入光束的振幅分布决定,其相位分布主要决定于光路中存在的大口径光学元件,同时高通量运行时的振幅和相位噪声的非线性自聚焦效应对光束远场的影响也不能忽略。基于这些特点,理论分析了影响光束远场的因素以及在高通量下噪声纹波的非线性自聚焦效应,模拟了具有四程放大结构的高功率激光装置的传输特性,分别研究了注入光束振幅和光学元件引入的相位噪声对光束远场的影响。研究表明,大口径光学元件引入的相位噪声是影响远场的主要因素。

通过对离轴多程放大系统的光学设计的分析,并结合三大高功率固体激光装置的实际应用情况,指出在此类系统的光学设计中应重视抑制鬼点破坏和控制系统像差.设计的关键在于确定例行的透镜F数.并通过控制透镜的曲率半径和倾斜角度,在保证无鬼点破坏的情况下使得系统像差较小.