针对多重差分航空相机图像检焦精度的问题，提出了一种多重差分空间滤波器参数选取方法。首先，介绍了空间滤波法以及基于空间滤波效应的自动检焦。然后阐述了多重差分滤波检焦法的具体实施过程，并从滤波器输出信号功率谱角度分析了滤波器参数的选取与检焦精度、灵敏度的关系。最后设计动态成像实验，在典型导轨移速532 mm/s下采集外景图像，选取不同的滤波器参数分别进行20次像面检测，并将其结果与传统图像检焦算子的检焦效果进行比较。结果表明，本文方法选取的参数使得检焦精度比Brenner算法提高了18%，且检焦系统的最大误差为3392 m，小于光学系统允许误差(768 m)，满足实际工作需求。

相较于传统的二维频率选择表面, 三维频率选择表面能产生更多谐振点而提供更大带宽, 更容易达到小型化的要求, 能够提供更稳定的频率响应, 因而成为研究热点。本文提出了一种多级正交菱形结构的新型三维频率选择表面, 其基本单元结构是正交的菱形金属丝, 在其外部注入介电常数为2.2的聚合物作为支撑。入射角在0°~50°的条件下具备9.2 GHz共同带宽, 相对带宽超过50%, TE和TM极化的最大插入损耗皆不超过1 dB。该结构具备三个谐振点, 形成原因分别为正交菱形金属结构的谐振、结构和介质端面相互耦合产生的谐振, 以及介质端面的一阶法布里-珀罗谐振。通过调节介质的介电常数, 可利用更高阶的法布里-珀罗谐振进一步设计出通宽更宽的空间滤波器。考虑到工程应用, 文中也评估了此设计对天线远场方向图的影响。

高功率超短脉冲激光系统中,空间滤波器透射元件引入的色差会影响系统的聚焦功率密度。针对这一问题,提出一种具备动态调节能力的色差预补偿方案。该方案由正负透镜和反射系统构成共焦像传递系统,能够实现全系统色差的动态精确补偿。基于该方案为神光-II 5 PW(SG-II 5 PW)激光系统设计并搭建了色差预补偿光路。实验结果表明,通过精密调节该单元内部透镜间距能够精确补偿全系统的色差,显著提升系统峰值功率密度。经过色差补偿后,在SG-II 5 PW系统开展质子加速实验,获得了超过16 MeV的质子产额。

利用新型准直远场探测包光栅元件的双向衍射, 实现了空间滤波器的小孔准直, 特别是对同一段光路中两个空间滤波器的小孔对准.该方案克服了传统滤波器对小孔尺寸的限制并满足远场准直包高稳定性的要求, 在光路远场准直的同时实现了小孔中心位置的监测与准直调整, 并在以色列项目中得以成功应用, 装置实验结果表明: 针对装置15倍衍射极限大小的小孔, 对准精度小于小孔直径3%, 满足装置器件小孔对准调试小于小孔直径4%的要求.

高斯光在远离束腰位置能得到直线度极高的干涉条纹,基于此提出了一种基于远场干涉的新型扫描干涉场曝光(SBIL)系统。建立了条纹相位非线性误差关于高斯光束腰半径、入射角度及束腰到基底距离的解析表达式。通过数值仿真,详细分析了条纹相位非线性误差与上述参数的关系。研究结果表明,该光学系统可以有效地将条纹相位非线性误差限制在纳米量级,并具有光路简洁、装调误差宽容度较高的优点。适当缩短束腰到基底的距离,可有效解决曝光光斑边界处条纹相位非线性误差恶化的问题。

理论分析了影响二极管端面抽运Nd∶YAG板条激光放大器放大效率的因素, 设计了主振荡功率放大板条连续激光器。使用1064 nm窄线宽光纤激光器作为种子源, 采用两个Nd∶YAG板条激光放大器先串接再双程放大的技术路线。两个Nd∶YAG板条激光放大器的尺寸结构完全相同, Nd∶YAG板条的尺寸均为150.2 mm×2.5 mm×30 mm, 每个板条都是半导体激光器阵列双端抽运。放大器抽运源总功率为21.6 kW时, 实现了5.4 kW连续激光的输出, 光-光转换效率为24.8%, 光束质量β为3.5。在输出光路位置使用狭缝空间滤波器, 光束质量β可以提升到2.5。

研究了大口径级联空间滤波器中色差造成的离焦色散与传输时间延迟对超短脉冲波形与时间信噪比的影响。针对神光-5 PW高功率超短脉冲系统,通过数值模拟,定量分析了光束口径、色差等因素与近远场脉冲波形畸变和时间信噪比退化的关系。从脉冲波形和时间信噪比的角度,给出了大口径空间滤波器消色差后残余色差的容忍范围,为高功率超短脉冲系统中空间滤波器的设计与优化提供了理论依据。

结合美国国家点火装置(NIF)的部分参数, 利用两镜型线聚焦空间滤波器(SSF)来替代主放大腔中的针孔滤波器, 对其在高功率激光装置中的应用进行了初步的研究。以NIF为例, SSF的应用可使远场强度降低两个数量级, 使腔空间滤波器和放大腔分别缩短约6.2450 m(27%)和13.8707 m(30%), 而放大腔中远场强度的降低以及去掉传输空间滤波器中的滤波光阑, 又使得主光路中基本无等离子体堵孔的问题。同时, 基于平面化离轴偏角的设计思想并结合放大腔中变形镜与反射镜互成物像面的特点, 对SSF构成的放大腔进行了离轴多程设计以避免放大自发辐射, 为SSF的实际应用以及高功率激光装置的进一步发展奠定了基础。

板条激光器初始光束为矩形光束, 光束的发散角与半径在相互垂直方向上相差很大。因此, 光束整形系统是板条激光器能够实际应用的关键技术之一。以2 kW射频板条CO2激光器为基础, 针对双柱面镜整形系统与带空间滤波器整形系统, 应用特征向量法与柯林斯公式进行了仿真分析。给出了光束通过这两种整形系统后光强的分布与光束半径的变化。结果表明, 板条激光器的矩形光束经过这两种整形系统后都能转变为近似圆形分布, 两个方向上的半径差值小。但光束通过双柱面镜整形系统后非稳方向光束质量没有得到改善, 聚焦后存在旁瓣, 能量占比约为9%。带空间滤波器整形系统则能够将旁瓣完全滤除, 提升了光束质量。

利用常规材料构造了Fibonacci序列准周期结构, 运用传输矩阵法研究了该结构的空间传输特性, 并基于该结构优良的空间传输特性设计了小角度低通空间滤波器.数值模拟结果表明, 该小角度空间滤波器的角域带宽可通过改变序列的结构类型和序列数来调谐, 其调谐规律为: 随着Fibonacci 序列F(m,1)中m值的增加, 对应空间滤波器的角域带宽减小; 随着序列数的增大, 对应角域带宽也减小.在调谐的基础上, 还可通过改变构成准周期结构的介质折射率参量来精确调节其角域带宽.相比于基于超材料的小角度空间滤波器而言, 基于Fibonacci序列的小角度空间滤波器制备更简单, 且有望应用于新一代的高功率激光系统中.