太赫兹是电磁波研究中的前沿热点之一，在通信、雷达、生物化学检测等方面有巨大的应用前景。人工电磁材料，特别是超表面的出现和发展，为太赫兹的高效波前控制提供了新的思路和方法。从太赫兹电磁场空间分布的角度出发，阐述了目前超表面在太赫兹波段波前调控的相关工作和方法，对比和讨论了太赫兹远场和近场波前调控的多类应用场景和调控方法，对太赫兹超表面波前调控的发展前景进行了展望，为研究太赫兹波前调控提供了新思路。

基于局域表面等离激元或电介质微纳结构米氏散射的超构光栅对衍射通道的直接调制为高效率、大角度光场调控提供了优良平台。对超构光栅调控衍射光场的物理机理及应用开发进行了概述。首先,从高衍射效率超构光栅的构建机理出发,分别介绍了反射式、透射式、对称型、非对称型及可重构超构光栅的典型实现方式;其次,介绍了通过结合高衍射效率超构光栅与位移编码型相位调制机制,实现任意大角度光波前高效调控的典型方法,概述了高数值孔径透镜、角度可调型多功能光器件、大角度全息超构光栅等方面的研究进展;然后,介绍了以超构光栅作为连接自由空间光与表面波的桥梁,自由空间光波前与表面光波前相互转化方面的集成光调控平台;最后给出了简要小结,并对超构光栅未来的发展趋势与应用前景进行了展望。

在利用液晶空间光调制器液晶分子等效折射率的变化实现光波前的动态调控, 从而进行光学非球面的零位干涉测量时, 液晶空间光调制器独立单元中像素离散化的尺度、单元结构的填充比例以及电控数字位阶都直接影响到波前调控精度。本文基于菲涅耳衍射原理以及离散傅里叶变换算法,使用物理光场数值分析软件 VirtualLabTM分析了像素独立单元对液晶空间光调制器重建补偿波面精度的影响, 建立波面经空间光调制器调制传播至待测表面的仿真模型, 评估像素结构因素对波前重建的理论算法本底误差及构成像素结构的多因素耦合误差, 重点关注像素尺寸采样频率与波前最大空间频率的匹配问题, 提出根据重建波前理论模型反推选取符合高精度测量要求的空间光调制器, 可有效降低动态检测系统的成本需求。理论计算得到制约空间光调制器重建高精度波面(RMS=0.01 λ)的因素与液晶分子响应的自身非线性以及基底空间不一致密切相关。

针对波前曲率传感自适应光学，对比分析了直接拟合法和拉普拉斯算子本征模式法两种闭环控制方法。简要分析了两种方法的基本原理，并建立了36 单元曲率型自适应光学仿真模型，进行了大气湍流波前畸变闭环校正数值仿真。结果表明，与直接拟合法相比，存在最佳模式数量使得拉普拉斯算子本征模式法具有更高的稳定性和精度；尤其是当波前畸变较大时，直接拟合法的稳定性和校正精度明显变差。

针对波前曲率传感自适应光学，介绍了基于拉普拉斯算子本征模式的波前闭环校正原理，理论分析了波前校正误差。建立了61单元自适应光学数值仿真模型，进行了大气湍流波前畸变闭环校正数值仿真。仿真结果与误差理论分析一致，当模式数量较少时闭环校正精度较低，而数量过多时产生的模式耦合误差也会导致校正误差增大。通过分析模式数量与复原矩阵的条件数之间的关系，给出了一种简便的最佳模式数量选择方法。

基于衍射理论和神光II升级激光装置的光路结构及光学元件波前像差，建立了激光装置光束波前像差传输计算模型，用以获取在实验中难以取得，但对激光系统设计和安全运行非常重要的变形镜校正面型、放大器动态波前像差、空间滤波器波前像差和焦斑形态等过程数据。利用该模型对激光装置常规运行时的静态传输、变形镜加压静态传输和大能量发射3种状态下的波前传输进行理论分析，计算结果与实验测量相一致，并在此基础上对变形镜未加压大能量发射波前传输进行计算。计算模型可用于指导相关器件的设计，优化激光运行控制模式，有利于提高激光装置输出波前质量。

借助影响函数矩阵,分析了变形镜拟合波前像差的性能。提出了一种滤除高阶像差模式影响的波前控制算法,弥补了最速下降法无法通过模式选择优化校正过程的缺点,提高了变形镜的校正能力。对人眼出射的畸变波前进行实验,结果表明,经过6次迭代以后,波前的均方根值(RMS)达到衍射极限,系统闭环校正频率为15 Hz。说明基于该控制算法的微机械薄膜变形镜自适应光学系统能够实时校正动态人眼像差,为搭建小型化、低成本的人眼波前像差校正系统提供了算法支持。

在惯性约束聚变(ICF)领域, 采用自适应光学(AO)技术进行波前控制是解决ICF激光系统中光束质量问题的重要手段。报道了“神光Ⅲ”原型装置中8套工程化自适应光学系统、未来ICF系统发展所需的大口径可拆卸变形镜(DM)样镜研制以及ICF自适应光学波前控制技术的最新研究进展。8套工程化自适应光学系统在“神光Ⅲ”原型装置上实现了到靶点的全系统静态像差校正, 改善了靶点焦斑能量分布, 验证了校正对打靶时X射线分布的改善效果。所研制的17单元大口径可拆卸变形镜的口径为284 mm×284 mm, 行程大于±6 μm, 谐振频率大于500 Hz。在ICF自适应光学波前控制技术中, 采用了基于哈特曼传感器近场相位测量的控制方法和基于靶室远场的随机并行梯度下降(SPGD)控制方法均能取得良好的校正性能。