随着激光脉冲宽度极限的不断突破以及峰值功率的不断提高，脉宽压缩光栅的尺寸需要进一步增大。但反射式曝光系统所需大口径长焦距离轴镜的高精度加工检测成为制约大口径光栅制作的难题。采用计算全息补偿检测不需要复杂的设计和装调，但同样会引入非回转对称和复杂的二维投影畸变。传统的畸变校正方法由于精度受限或计算复杂不利于工程应用。提出基于数值计算的畸变校正方法，该方法具有简单通用易于编程的优点。利用800 mm口径折反镜在直径为18 m光学平台上搭建了面形检测光路，通过系统误差标定去除以及畸变校正的方法实现了高精度面形测量，经磁流变迭代加工后，面形精度RMS可收敛至0.013λ（λ=632.8 nm），这为后续大口径反射式曝光系统的建立奠定了基础。

激光扩束系统可以扩大激光光束直径、压缩空间发散角，被广泛应用在激光测距、大气探测等领域。为了压缩激光扩束系统的外形尺寸，减小出射与入射光束之间的距离，设计了一种由多个共焦离轴抛物面镜组构成的多级反射式激光扩束系统。根据设计指标，计算了多级反射式激光扩束系统的系统参数，使用ZEMAX光学设计软件对单组扩束系统和两个多级扩束系统进行了仿真和公差分析，对比了单组扩束系统和多级扩束系统的尺寸和公差。结果表明，在比较宽松的公差范围内，多级扩束系统能够实现在更短距离上的高倍激光扩束。

针对离轴抛物面镜离子束修形过程中存在的热效应累积和迭代加工效率问题,提出了将总去除量按一定比例划分的分批次加工与变束径加工相结合的方法,并采用该方法进行工艺实验探索。对口径为110 mm、曲率半径为1732.7 mm、初始面形峰谷值(PV)为0.525λ(λ=632.8 nm),均方根(RMS)值为0.025λ的球面镜进行分批次变束径离子束抛光实验,最终加工得到顶点曲率半径为1728 mm、离轴量为85 mm、PV为0.36λ、RMS值0.029λ的离轴抛物面镜。对实验过程及结果进行分析,证明分批次加工方法有效消除了离子束加工过程中的热效应,通过变束径局部精修加工的方法可以减少迭代加工次数,提升加工效率。

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。

基于严格的全矢量衍射理论，系统详尽地分析了装校失调对大口径离轴抛物面镜（OAP）光束聚焦特性的影响。研究结果表明，OAP的三维平动及绕z″轴偏离旋转后衍射焦斑形态没有发生改变，只是焦斑中心位置发生了偏移，利用瑞利判据获得了OAP的三维平动及绕z″轴偏离旋转公差的量化关系；当OAP发生绕x″或y″轴偏离旋转时会引起像散、彗差的出现致使衍射焦斑形态发生变化，产生严重畸变，大幅降低焦斑的峰值光强。并详细探讨了衍射焦斑峰值光强下降10%时容许的最大旋转偏离角与OAP离轴参量、光束参量的变化关系。因此，理解装校失调对光束聚焦特性的影响机制及变化关系，可以为OAP的精密调整提供可靠的理论依据。

本文提出利用离轴抛物镜共焦中继系统来改善双光子成像视场边缘像质变差的问题, 进而提升双光子成像视场。不同于传统的双胶合透镜扫描中继系统, 离轴抛物镜共焦扫描中继系统由一对离轴抛物镜构成, 扫描振镜位于抛物面镜焦点处。仿真和试验结果均显示, 该系统能有效优化视场边缘的像散、场曲和畸变情况, 提高成像质量。利用该扫描系统, 我们实现了视场为2.4 mm×2.4 mm, 横向分辨率为1 μm的大视场双光子显微成像, 能清晰分辨小鼠大脑切片中的神经轴突结构。

大口径非球面光学元件的面形中频误差对光路中的光斑扩散函数精度以及高能激光的能量散射有着直接的影响, 针对该问题, 提出一种计算机控制的多磨头组合抛光技术, 用于对非球面元件中频误差的有效控制。对半刚性抛光盘抛光过程进行了力学有限元分析, 并基于Bridging模型对半刚性抛光盘抛光过程进行了理论模拟, 对其贴合特性进行了研究分析。实验结果表明: 采用多磨头组合抛光的技术能够有效改善大尺寸非球面元件的面形中频误差, 加工的两件460 mm离轴抛物面元件面形PSD1值相对于之前降低了近70%, 达到2.835 nm, 并且PV小于0.16λ(632.8 nm), RMS小于0.02λ。