扩束是超高峰值功率激光装置中必不可少的一环,由离轴抛物面镜组成的反射式扩束系统可解决传统透射式扩束带来的色散、色差及激光脉冲前沿畸变等问题。利用光线追迹法和惠更斯-菲涅耳原理对反射式扩束和聚焦过程进行分析,计算了在反射式扩束系统参数不同时,离轴抛物面镜失调对激光脉冲远场时空特性的影响,给出了激光脉冲斯特列尔比和峰值强度的误差允许范围。

从热传导方程和热弹性方程出发,基于EasyLaser仿真软件,对激光辐照Si反射镜、SiO2窗口镜温度分布和热相差进行了模拟计算,比较了相同吸收的情形下,两种元件温升、热相差分布的时间、空间特性,并开展光-热-力控制多物理耦合仿真,比较了激光辐照Si反射镜、SiO2窗口镜热效应对激光传输远场特性影响和自适应光学校正效果。仿真结果表明,由于SiO2窗口镜导热性能差,热相差随激光辐照时间的增加而线性增加,其分布与辐照激光光斑空间分布相似,且在激光辐照停止后较长时间内仍然存在;而Si反射镜导热性能好,温度分布在较短时间内匀化导致温度梯度小,热相差先快速、后缓慢增加,在激光辐照停止后热效应的影响很快消退。实验光斑强度的空间分布,对两种元件热效应的影响不同:对于SiO2窗口镜,其热相差的高空间频率成分增加,严重影响激光光束远场传输与自适应光学校正效果,而Si反射镜热导率大,受到的影响较小。

针对超高峰值功率激光系统中脉冲的压缩及聚焦过程进行建模,基于光线追迹法和夫琅禾费衍射方法对平行光栅对压缩器的色散过程和抛物面镜的聚焦过程进行了模拟分析,同时采用Square-Radial多项式对方形口径的波前畸变进行描述,分析了近场存在4种不同波前畸变情况时对远场时空分布的影响,定量给出了不同情况下波前畸变误差的允许范围。

通过对相同马赫数、相近雷诺数、不同转塔口径(400 mm和2000 mm)的绕流流场模拟和气动光学效应进行分析,给出了不同发射方向时气动光学效应导致的光束倾斜角和光束质量因子的时间变化特性、统计特性以及时间相关特性。结果指出:多数场景下气动光学效应中平均流场效应占主要部分,平均流场效应的特征频率由绕流流场的特征频率决定。尺寸效应的研究表明:缩比实验可以有效模拟实际飞行状态下气动光学效应的统计特性,但无法准确模拟其时间相关特性。开展了前向发射时发射方向的优化选择,指出发射方向在中轴线上天顶角约为40°时,气动光学效应导致的波前畸变统计值和涨落值最小。分析了前向发射时发射口径的影响,指出发射光束半径增加会导致平均流场效应快速增加,但湍流效应基本不变。

波前畸变会影响平行光栅对压缩器输出脉冲的可压缩性和远场焦斑的质量。结合光线追迹法和夫琅禾费远场衍射原理建立了平行光栅对压缩器理论模型。同时分析了输入脉冲的波前误差、光栅衍射面的形变以及光栅波像差对压缩器输出脉冲远场焦平面时空特性的影响, 并采用蒙特卡罗方法数值模拟分析了其误差容许范围。为高功率激光装置中平行光栅对压缩器中进行波前畸变和光栅质量的控制提供了理论参考。

为了揭示微空心阴极放电的放电机理，利用流体模型研究了矩形微空心阴极放电的时间和空间分布特性。在氩气环境下计算得到了压强为1.3×104 Pa时电流、电势、电场、电子和离子密度等随时间的发展变化。结果表明，整个放电过程分为四个阶段，即预放电阶段、电场由轴向向径向转换阶段、电流缓慢增长向空心阴极效应过渡阶段和稳态放电阶段。稳态放电时出现明显的空心阴极效应，阴极位降区存在很高的径向电场和较高的电子平均能量，而负辉区径向电场很弱，电子平均能量较低，电子和离子密度峰值出现在负辉区，二者数值基本相等，而在阴极位降区离子密度远高于电子密度。

推导了光栅对压缩器两光栅在垂直于刻线的平面(衍射面)内有一夹角时1至4阶色散变化量的表达式,以及脉冲超高斯光束经光栅对压缩后的场分布.并据此模拟分析了光栅表面平行性失调对输出脉冲时空特性的影响.结果表明:脉冲光束单次通过光栅对时其波形会产生扭曲,光栅对的失调会使脉冲扭曲更加严重;而两次通过光栅对时横向谱移动的影响会消除,但脉冲将出现旁瓣,光栅对的失调使得脉冲在时间上提前,且色散阶数越高色散变化量对压缩脉冲时空特性的影响越大.

实验研究了光折变晶体中双光束反向传输引起非稳的时空特性，从实时信号的功率谱分析和相关维数的计算，确证了系统由准周期运动经周期三到达混沌。