近年来离轴正支共焦非稳腔被广泛用于大功率板条结构激光器, 由于其横向尺寸较大, Collins公式的计算精度需要验证。通过Fox-Li迭代, 对比了采用Collins公式和直接利用菲涅尔-基尔霍夫衍射公式计算的输出模式, 数值研究了几何放大率M和有效菲涅尔数Neq对Collins公式计算精度的影响并分析了原因。结果显示, 计算误差主要集中在光轴附近, 复振幅巨大的相位误差导致模值的大小、分布误差。另一方面, 计算精度会随M的增加, Neq的减小呈现跳变增加, 阶跃点Neq与M具有线性关系, 斜率约为133, 即Collins公式在菲涅尔数为266以内是有效的。

离轴正支共焦非稳腔被广泛的用于固体板条激光器和中小功率封离型板条CO2气体激光器中。针对正支共焦非稳腔输出镜失调时易出现功率严重下降的现象, 通过数值研究不同有效菲涅耳数的正支腔在平移失调的情况下, 过量噪声因子随着失调程度的变化规律, 分析了导致这一现象的原因。数值结论显示, 当有效菲涅尔数选在［s－0.20～s＋0.20］(s为整数)范围内, 泵浦激励效率较低, 且在微小失调时, 易造成激光功率的严重下降选取; 在［s＋0.65～s＋0.75］范围内, 最有利于激光的输出功率稳定性和激励效率; 在这种情况下, 微小的下移失调, 可能更有利于输出功率的小幅度提升。

针对离轴正支共焦非稳腔中最低的三阶横模特征值随着腔参数的变化规律问题，基于适用于非稳腔结构的特征向量法，计算了有效菲涅耳数在63附近的不同腔参数下各阶横模的特征值。数值模拟结果表明，在几何放大率大于1.08的条件下， 若有效菲涅尔数取在整数附近，1、2阶横模会周期性的发生模式交叉，所有基于Fox-Li迭代的算法很难得到自在现模。随着M的增加而增加，特征值的模值大小会随着几何放大率的增加而近似线性的减小，各阶模式的衍射损耗会线性增加，在非模式交叉的情况下，1、2阶横模特征值模值的差值会增加。

为得到近场光束强度分布对激光束光束质量的影响程度, 利用快速傅里叶变换算法对实验中测得的高能化学激光器产生的光束实例进行了计算。本次数据采集所用的激光器腔型为正支共焦非稳腔, 最终输出的光束为空心的方环形。利用 F因子对激光束近场强度均匀性进行了评估, 并使用光束质量因子茁值对一系列远场光斑的光束质量进行了评价。由计算结果可以得出, 在本次实验样本中近场强度分布对激光束的光束质量茁值影响在 1.2～1.4之间。

利用快速傅里叶变换算法和薄层增益近似方法，在Matlab计算平台上，对大长宽比正支共焦有源谐振腔进行了数值模拟。得到了长宽比为3.6∶1的大功率化学激光器输出的近场模式强度和相位分布，以及理想聚焦下的远场光斑的强度分布。给出了由非均匀增益引起的强度分布不均对远场光斑的影响。得到的近场图像结果和实验结果基本一致，表明本方法可以对大长宽比矩形腔的输出模式进行仿真，从而为激光器的光束质量改善提供计算参考。

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。

针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的输出光束质量和光束能量下降问题,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,并采用数值迭代法计算了理想情形和腔内像散扰动对无源正支共焦腔输出模式强度和相位分布的影响,进一步采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合,得到了前35阶Zernike像差系数、点扩散函数(PSF)分布和环围能量曲线,计算了腔内像散扰动量与远场Strehl比的关系。结果表明:对小菲涅耳数正支共焦腔,腔内像散扰动对输出光束强度和相位分布均有明显影响,相位分布中一些高阶Zernike像差也有所增大。因此在进行腔内像差校正时,应优先考虑此类像差的校正。

正支共焦非稳腔在出光过程中易受环境扰动而造成腔长失调,易受热积累影响而使腔镜变形,从而使输出光束产生离焦像差和部分其它像差.为了实现对离焦像差的校正,针对不同的产生原因,提出了2种离焦像差特性分析方法:一为腔镜相对位置失调引起的离焦像差特性理论分析方法,它是另一种分析方法的基础;二为腔镜变形引起的等效腔长变化导致的离焦像差特性分析方法,它是实际激光器中的主要分析方法.得到了离焦像差与腔长的特性关系和离焦像差与腔镜变形量之间的特性关系.研究表明:腔长改变和腔镜变形对离焦像差的影响本质是一样的,都是改变了谐振腔的共焦点位置;腔长改变或腔镜矢高变化与离焦像差都成近似的线性关系.实验验证了离焦像差特性分析方法的有效性,最后指出离焦像差特性可作为激光器中离焦像差动态补偿的有效依据.

在腔内失调理论分析基础上,采用Hartmann-Shack波前传感器实验研究了无源正支共焦非稳腔失调后输出光束像差特性,结果表明,腔内倾斜像差对光束强度分布有显著的影响,但小的腔内倾斜扰动不会使输出光束的相位分布中的高阶像差发生变化.当腔镜垂轴移动偏离光轴时,可能引起某些Zernike高阶像差,如彗差和像散的增大,但首先带来的是Zernike倾斜像差,类似于引入腔内倾斜扰动时的结果.因此在做腔内像差自适应校正时,应首先考虑腔内倾斜像差的校正.该方法为腔内像差特性的研究和像差校正提供了一定参考.

采用哈特曼-夏克(Hartmann-Shack)波前传感器分析了腔内扰动对无源正支共焦腔调腔光模式的影响,用模式法进行了波前复原计算。引入等量扰动,腔内凹镜对于腔模的影响大于凸镜；且对于大菲涅耳数非稳腔,腔内倾斜扰动量与输出光束中查涅克(Zernike)倾斜像差系数具有较好线性关系。建立了基于哈特曼-夏克波前传感器进行腔外探测,控制腔内凹镜的低阶像差校正系统,比较了在不同腔内扰动状态下对倾斜像差的控制结果。实验表明,对于腔内扰动频率较低或者准静态的情况,控制系统对腔内倾斜像差的校正具有较好的效果。