光学望远镜系统内部温度分布不均匀,镜面热变形等因素导致的离焦、球差等低阶大像差会严重降低光学系统的探测能力。给出了相位差法结合离焦光栅进行波前探测的原理,提出了权重线性递减的粒子群优化结合禁忌搜索的混合粒子群算法,并通过仿真验证了该算法的优化性能。采用相位差法结合离焦光栅采集两幅图像,然后通过混合粒子群算法求解目标函数,就可以重构波前,估计出波前像差。仿真结果表明,该算法可以实现对波前像差RMS值在0.859λ以下的目标函数的优化求解,优化后的波前残差达到10 -3量级,并且迭代3次左右即可以完全收敛,满足低阶大像差的校正精度要求。

围绕未来固态大功率激光系统中低阶像差补偿的需求，开展了边缘驱动变形反射镜的优化设计和仿真分析。提出了4 臂边缘驱动变形镜设计结构，并建立了仿真模型，以变形镜拟合残差面形的均方根(RMS)值和峰-谷(PV)值为目标，分析了不同结构参数对变形镜校正低阶像差能力的影响。根据对离焦、像散和彗差校正拟合残差面形的RMS值和PV 值随结构参数变化的曲线，确定了变形镜的最佳设计参数并给出了该参数下拟合离焦、像散和彗差的残差面形RMS值和PV 值。对于PV 值分别为20、10、10 μm 的离焦、像散和彗差，拟合残差面形RMS值和PV 值分别为0.2366 μm 和1.3762 μm、0.0112 μm 和0.1146 μm 以及0.1606 μm 和0.9773 μm。以上结果表明，设计的4 臂边缘驱动变形镜的校正效果符合设计要求。

对于高能激光输出波前中的低阶像差，可以使用柱面反射镜与球面反射镜组合对其中的离焦和像散进行补偿。根据悬臂梁理论设计了一种变形反射镜，并通过有限元仿真，对变形镜结构和各尺寸参数进行了优化，镜面行程达到19 μm，残差峰谷值小于1.4 μm。依据优化设计结果制作了柱面变形镜样件，使用菲索干涉仪对柱面变形镜的面型精度及压电陶瓷驱动电压与形变量的关系进行了测试。测试结果表明，通过控制压电驱动器的位移，这一结构的变形镜能够产生所需的抛物柱面，行程达到11 μm。

为了更好地评价 30 m望远镜三镜 (TMT M3)的反射镜, 本文结合系统频域特征以及斜率均方根, 对于其检测、评价的基本原理进行研究。首先根据斜率均方根 (slope RMS)的定义, 基于正弦多项式, 对于其基本性质进行推导与分析; 然后, 针对斜率测量, 提出 slope RMS的分离与合成方法, 为提出符合 TMT招标方要求的检测评价方法提供理论基础; 最后, 将本文方法应用于 TMT三镜仿真数据, 检验了本文假设的正确性与方法的可行性。