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。

为降低惯性约束聚变装置中大口径反射镜在重力作用下附加面型对光束质量的影响，对大口径反射镜镜背支撑技术进行了研究。经支撑结构优化，大口径反射镜由重力导致的附加面型从0.5 μm降为0.26 μm。对大口径反射镜镜体的打孔工艺、镜体与支撑架联接工艺及镜架结构进行了研究，并加工了样机进行验证，从实际测试结果来看，采用的反射镜打孔及粘结工艺对反射镜面型的影响可以忽略，反射镜镜架结构可以满足反射镜支撑要求，反射镜采用背支撑技术可以有效降低重力带来的附加波前。

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。

为了将波前曲率传感器用于涉及激光波前的领域,理论分析了非均匀光强入射条件下的曲率传感器测量信号。用菲涅耳衍射公式,数值计算了相位分布为前10阶泽尼克多项式,光强为高斯分布和正态随机分布闪烁的曲率传感器信号,并和相同相位分布,光强均匀情况下的传感器信号比较。分析表明光强非均匀分布给波前曲率传感器测量信号带来了一定的误差。光强高斯分布对散焦相差的曲率信号影响较大,信号百分比误差达到25%,对其他相差的曲率信号影响很小;对于有正态随机分布闪烁的光强分布,信号百分比误差与正态随机分布的均方差成线性关系。在一定条件下,波前曲率传感器也能够用于光强非均匀分布的领域。

自适应光学波前重构和控制对精度和实时性的要求很高.BICGSTAB算法可用于非正定对称的线性系统方程的求解,并且速度快、精度高,稳定性好.基于Fried网格,提出将BICGSTAB算法引入自适应光学波前重构和控制系统方程的求解,并与SVD以及几种常见的迭代算法(Jacobi, Seidel, SOR以及SSOR)作比较.仿真结果表明,对于121阶系统,BICGSTAB法达到0.01%精度仅仅需要不到70次的迭代;SVD法达到0.01%需要近300次;四种常见迭代方法即使104次也没有收敛.这说明BICGSTAB具有更高的速度和精度,能够更好地满足自适应光学系统实时性和精度的需要.

建立了采用直接斜率波前控制算法的自适应光学系统中各阶泽尼克模式间的动态关系,通过对比系统对大气湍流畸变波前各阶泽尼克模式的功率谱抑制函数,揭示了采用直接斜率波前控制算法的自适应光学系统中各阶模式校正效果间的差异,并初步分析了造成这种差异的原因。用在61单元自适应光学系统上取得的实验结果验证了理论分析结果。