激光惯性约束聚变实验需要使用数十台套诊断设备从不同方位对瞬态微尺度物理过程进行诊断表征。大部分诊断设备通常需要进入巨型靶室真空环境内，在厘米到米级的不同工作距离上，对聚变靶上面毫米到数十微米的靶标进行瞄准，大部分诊断设备的瞄准精度需要达到50 μm水平。双目瞄准方法是在真空环境下实现远距离高精度瞄准的一种重要方法，但目前主要依赖人工判读图像识别靶标和手动操作诊断搭载平台运动实现对靶瞄准，特别是靶室内照明条件或诊断设备瞄准视线存在夹角等条件会严重影响靶标识别效果，对诊断设备瞄准精度造成较大影响。发展了一种基于机器视觉的诊断自动瞄准方法，采用Mask R-CNN算法并以大量模拟瞄准图进行靶标识别训练，有效解决了靶标自动判读问题，对靶标识别误差控制在8个像素点以内；同时基于实验室瞄准测试平台开展了靶标像素偏差与瞄准坐标偏离关系的离线标定，开展了算法引导下的瞄准精度测试，根据测试结果预估指向瞄准精度优于30 μm、径向瞄准精度优于50 μm，对实现诊断设备的高精度自动瞄准有一定的基础参考价值。

围绕内爆压缩及阻滞阶段相关物理实验的诊断需求，提出了一种满足阿贝正弦条件的短焦距高放大倍率Wolter-Ⅲ型X射线显微镜的光学设计。详细介绍了Wolter-Ⅲ型显微镜的结构特点和设计方法，与Wolter-Ⅰ型相比可以通过将主平面向靠近物点方向移动的方式减小系统焦距，从而获得更大的放大倍数，实现显微镜与探测器的像质匹配，提高诊断系统的空间分辨。由光线追迹可以得出，在±190 μm的视场范围内，空间分辨率优于3 μm；在±240 μm范围内分辨率优于5 μm；在±300 μm范围内分辨率优于8 μm，几何集光立体角约为5×10⁻⁶ sr。

为研究多色非相干激光入射ICF黑腔的受激布里渊散射（SBS）和受激拉曼散射（SRS）发展情况，建立了一维受激散射稳态谱分析模型，并发展了相应的数值模拟程序。分析了不同频率激光激发的受激散射光通过共用等离子体波耦合的物理图像以及影响背散光谱的物理因素。针对波长差0.3 nm的等强度双色光入射封底金腔的SBS进行了模拟分析，结果表明：采用双色光有效抑制了SBS；SBS光谱劈裂成间距为0.3 nm的两个峰；波长较长的入射光对应的SBS光获得了较大的增益；如果固定激光总强度和总带宽，则存在抑制SBS的最优光束数目。

针对激光惯性约束聚变（LICF）实验中诊断实验装置快速精确定位的迫切需求，提出了在LICF的实验场景下使用激光跟踪测量系统的快速定位瞄准方法。采用四路激光跟踪测量系统作为瞄准定位设备，构建了测量系统的数学模型，基于最小二乘法开展了系统瞄准定位精度的理论计算。当采用的激光跟踪仪测量误差为5 μm时，理论计算得到的夹角偏差为0.7492″，距离偏差为11.2083 μm；当采用的激光跟踪仪测量误差为10 μm时，夹角偏差为1.12″，距离偏差为18.2167 μm。理论计算结果表明，基于激光跟踪测量系统的瞄准方法，符合LICF中实验装置快速精准的定位需求，为将来在我国激光惯性约束聚变装置上使用激光跟踪测量系统作为瞄准定位设备提供了参考。

当前，激光惯性约束聚变在越来越接近点火的极端能量密度条件下，实验与模拟的偏离逐渐增大，一个关键原因是缺乏对黑腔等离子体状态及其影响黑腔能量学和内爆对称性的细致研究和判断。光学汤姆逊散射主动式、诊断精确、参数完备的优点，使之成为激光惯性约束聚变黑腔等离子体状态参数精密诊断的标准方法。中国面向激光惯性约束聚变研究的光学汤姆逊散射实验技术的发展与神光系列激光装置的建设和在其上开展的物理实验紧密相关。近年来，四倍频汤姆逊散射实验技术在神光III原型和100 kJ激光装置上相继建立，部分实验结果不仅加深了对激光惯性约束聚变靶物理的认识，还反映了实验条件对汤姆逊散射诊断的影响，促进了实验技术的精密化发展。在未来，还需要进一步发展多支路汤姆逊散射、五倍频汤姆逊散射和超热相干汤姆逊散射等新技术，面向点火黑腔条件，大幅提升激光等离子体状态参数的诊断精度，开展新物理机制的探索和研究，在激光惯性约束聚变和其他高能量密度物理科学领域发挥更重要的作用。

激光等离子体相互作用的不稳定性将有望通过降低高功率激光装置输出光束的相干性得到大幅缓解。利用低相干光源作为种子源，采用钕玻璃放大介质，研制成功国际首台kJ级大带宽低相干激光装置，实现了带宽13 nm、能量960 J、脉宽3～10 ns可调，相干时间仅为300 fs的大能量光脉冲输出。输出脉冲光谱匀滑无纵模结构，且谱相位随机分布，可实现脉冲波形和光谱分布的无关联精密调控。该装置不仅成功演示验证了低相干激光驱动器的单元技术及系统集成技术，同时也为激光等离子体相互作用及高能量密度物理研究提供了全新的实验研究平台。