光束精密调控是惯性约束聚变(ICF)研究对激光驱动器的基本需求，它是一项装置层面的系统工程。主要介绍了中国工程物理研究院激光聚变研究中心近年来在靶面光强控制、脉冲波形控制、光束近场控制以及在新型光束探索方面所取得的重要进展。

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。

基于大模场面积掺镱光纤搭建了全光纤1 030 nm高功率窄线宽光纤激光主振荡功率放大系统，实现了3 004 W的最高功率输出，斜率效率69.27%，是目前报道的输出功率最高的1 030 nm波段近衍射极限光纤激光器。最高输出功率时，x，y方向的光束质量因子分别为1.169，1.174，3 dB光谱宽度为0.18 nm，放大自发辐射抑制比达到37 dB。

基于简单的主振荡功率放大结构，演示了一种高功率窄线宽线性偏振全光纤激光器，其最大输出功率为3.08 kW，3 dB线宽为0.2 nm。在整个功率缩放过程中，偏振消光比约为94%，光束质量M²约为1.4。这是国内外首次实现3 kW全保偏光纤激光输出，与基于相位调制的窄线宽激光器相比，该激光器可实现近似的线宽，同时具有受激布里渊散射阈值高、系统结构简单、成本低等特点。

等离子体介质由于具有极高的储能密度、无光致损伤阈值和丰富的光学特性，利用它改善光束输出性能是发展高功率激光技术的一条重要技术路线。系统介绍了近年来等离子体光学的研究现状，并论述了今后等离子体光学的发展趋势。

飞秒激光在**、医学、通讯、加工等领域有着重要应用，已经成为新世纪激光技术领域的研究热点。得益于激光二极管（LD）的快速发展，以LD作为泵浦源成为新型全固态飞秒激光器的发展趋势。Yb^3＋离子掺杂的激光晶体材料因其独特的能级结构、宽带吸收与发射等优势，逐渐成为LD直接泵浦并实现1.0 μm飞秒激光输出的重要增益介质。详细总结了当前掺Yb^3＋飞秒激光晶体的研究进展，分析了目前存在的主要问题，给出了未来飞秒激光晶体发展的两个建议方向：高效率小功率飞秒激光和大功率高能量飞秒激光。以Yb^3＋:Sr₃Y₂（BO₃）₄晶体为例，详细研究了其晶体生长、光谱、连续与飞秒激光性能，并实现了中心波长在1 060 nm处脉宽为116 fs，平均输出功率为1.08 W，光光转换效率为33.1%的高效率飞秒激光输出，表明Yb^3＋:Sr₃Y₂（BO₃）₄及其同体系晶体是一类优异的高效率飞秒激光材料。

为了控制重频放大器的热致波前畸变，设计并加工了均匀冷却的背面水冷激活镜激光放大器，对放大器的热畸变特性开展了实验研究，实验发现在泵浦功率密度较高即重复频率达到10 Hz，平均功率密度达到200 W/cm²时，放大器的热畸变既影响远场分布又对近场产生显著的调制。近场的调制会给放大器带来较大的损伤风险。为了消除热畸变对近场的调制，首先对泵浦强度分布进行了匀化，然后对介质进行了边缘热平衡控制，消除了热畸变引起的近场调制。通过对上述因素的控制，采用水冷激活镜构型的四程放大器实现了在10 Hz频率下良好运行。在没有进行主动补偿的情况下，实现了远场焦斑优于5倍衍射极限的输出。

对比研究了3ω单独辐照、3ω＋2ω和3ω＋1ω双波长同时辐照下熔石英元件的初始损伤和损伤增长规律，重点研究3ω能量密度在其阈值附近时，低能量密度的2ω和1ω对初始损伤和损伤增长的影响，分析了波长间的能量耦合效应。结果表明：双波长同时辐照下，当2ω和1ω能量密度远低于其自身阈值时，它们对初始损伤几率和损伤增长阈值的影响可以忽略，但也会参与初始损伤和损伤增长过程，会增加初始损伤程度和损伤增长系数。基于飞秒双脉冲成像的冲击波速度测量表明，3ω和1ω同时辐照下，波长间的能量耦合效应会促进激光能量向材料沉积的效率。

提出了一种基于双频光源和涡旋相位板实现光束快速互补旋转的集束匀滑方案。双频光源为集束中各子束提供频移，拓扑荷数相同但反号的涡旋相位板阵列用于将各个子束变换成拉盖尔—高斯(LG)光束，而通过偏振控制则可实现子束间两两的相干叠加。在此基础上，通过采用共轭连续相位板可使波长不同、偏振态不同的子束组合在靶面形成快速旋转且空间上互补填充的焦斑。结果表明，利用这一方案可实现子束散斑在靶面上快速旋转且散斑分布保持互补，进而有效改善靶面辐照均匀性，甚至为抑制激光等离子体不稳定性提供了一种潜在途径。

高重频大脉冲能量激光在基础科学研究以及通信、探测、材料加工等应用领域具有重要价值。报道了溶液法制备的过渡金属二硫化物NbSe₂纳米颗粒材料的线性和非线性光学特性，并利用其2 μm波段可饱和吸收特性对掺铥光纤激光器进行被动调制实现了2 μm锁模激光输出。线性测量发现NbSe₂纳米材料的光学吸收覆盖近红外到近中红外波段且随波长增加而降低；非线性光学测量显示NbSe₂纳米材料在2 μm波段的调制深度为6.5%、饱和强度为19 MW·cm^?2。然后我们把NbSe₂纳米材料转移到金镜上制作成可饱和吸收器件，并对掺铥光纤激光器进行调制得到2 μm耗散孤子谐波锁模激光，单脉冲能量为3.36 nJ，脉冲宽度为1.48 ns，重复频率为50.66 MHz。激光光谱的中心波长为1 910.8 nm，光谱宽度为5.8 nm。首次在2 μm光纤激光器中采用NbSe₂纳米颗粒实现耗散孤子锁模，证明了NbSe₂纳米材料在2 μm波段的非线性光学调制能力，结合纳米颗粒的可集成特性，溶液法制备的NbSe₂纳米材料有望成为一种新型的宽谱非线性光电调制材料/器件。

为充分利用氟化氪（KrF）准分子激光放大器的长泵浦时间，探索提高激光输出效率的方法，开展紫外超短脉冲在KrF准分子激光器中多脉冲放大和组束的实验研究。采用双脉冲放大方案研究激光脉冲时间间隔对输出能量的影响，确定延时时间，提高脉冲总能量并有效抑制自发辐射（ASE）。实现了单次放大4个紫外超短脉冲，获得了近4倍于单脉冲放大的输出能量。并探索紫外超短激光脉冲的组束技术，成功应用光学角多路的方法将两个亚皮秒的紫外激光脉冲进行精确组束。

实验验证了一种通过将氧化石墨烯分散液沉积在长周期光纤光栅的全光控制的相关研究。通过外加的垂直泵浦光的作用，氧化石墨烯吸收泵浦光产生热量，改变长周期光纤光栅的包层模式的相位差，由于热膨胀的作用改变了氧化石墨烯所覆盖部分的光栅周期，使得谐振谱发生了移动，其最大调制深度可达10.6 dB，谐振谱最大可红移12.8 nm。通过实验发现，沉积相同浓度氧化石墨烯分散液的次数影响实验结果，通过在相同光栅的相同位置分别沉积三次，发现沉积三次可以在光纤表面获得更加均匀的氧化石墨烯膜，进行了时间响应的测试，其中沉积三次后的长周期光纤光栅的响应速度可达0.61 ms，沉积多次氧化石墨烯分散液可以在光纤表面沉积得更加平整均匀，从而获得更大的导热性能。

本文从理论上研究了在双色频率梳激光场驱动下多光子谐波辐射光谱中的相位突变现象。我们利用Floquet理论非微扰地模拟了频率梳激光场与原子分子等量子系统的相互作用过程。谐波辐射信号是多光子偶极跃迁相干叠加的结果，通过调节频率梳激光场间的相对相位，可以相干地控制谐波辐射信号的强度。通过对谐波信号进行傅里叶变换，可以提取不同跃迁路径的相对相位信息。我们通过改变频率梳组激光场的强度和频率组分实现多光子跃迁频率，让其跨越共振跃迁频率时，谐波相位会发生突变。从而可以观测超强激光场驱动下量子系统共振跃迁频率的斯塔克能移。

从一种简单、全光纤结构的混合被动锁模掺铒光纤激光器中，得到了高稳定性、宽光谱的耗散孤子。激光器结合了半导体可饱和吸收体和非线性偏振旋转两种锁模机制，并运行在正常色散区内；通过色散管理，激光器能产生光谱宽度39.1 nm和时域宽度178 fs的孤子脉冲序列。激光输出的中心波长为1.55 μm，重复频率约为34.3 MHz，单脉冲能量在0.33 nJ左右。与此同时，激光器的斜效率也约等于15.5%；室温工作下，激光器能实现自启动锁模，且运行在稳定单脉冲输出状态的时长在15 h以上。

采用激光驱动技术模拟高速运动金属颗粒与气体相互作用过程，研究高速气固两相流输运过程。采用驱动靶优化设计、激光参数调节等方法对颗粒加速过程进行控制，利用高时空分辨率、高精度瞬态实验诊断技术获取高速颗粒瞬态物理图像。通过求解三维雷诺平均Navier-Stokes方程和刚体飞行六自由度动力学方程数值模拟高速单颗粒与气体混合过程，方程采用高斯?赛德尔隐式方法进行时间推进求解。研究表明，激光驱动方法能够有效地发射金属颗粒，阴影照相技术能够有效获取高速颗粒物理图像。数值模拟给出了高速颗粒与气体作用的流场参数。

针对结构紧凑的部分端面泵浦混合腔板条激光放大器，研究了泵浦匀化对其输出激光光束质量的改善作用。基于ZEMAX仿真软件，设计并对比分析了直接成像和波导匀化后再成像两种泵浦耦合方式对激光二极管阵列慢轴（晶体宽度）方向光强分布均匀性的影响，发现波导匀化后泵浦均匀性得到明显提升且激光二极管阵列发光坏点对泵浦成像的影响得以弱化。进一步实验验证了泵浦匀化对Innoslab激光放大器性能的改善作用：波导匀化后慢轴方向泵浦均匀度从90.6%提高到95.4%，进而使3通放大后输出激光光束质量因子M²从2.41提升到1.55，并且有效抑制了多通放大腔内的自激振荡。

对于采用离轴多程放大技术的高功率激光装置，抑制其自激振荡的技术具有重大研究价值。针对工程中发现的主放大系统小孔板附近结构表面比较光亮，当腔内放大器工作时，在增益足够条件下，光亮结构面和腔镜间形成谐振腔而产生自激振荡，烧蚀腔内器件的问题，基于蒙特卡洛方法模拟结构表面，依据几何光学原理推导了激光光束在结构表面反射模型，采用该模型代入工程中光路部分参数计算了主放大系统结构表面粗糙处理工艺和反射进入放大器内份额的关系，并将该表面处理工艺应用于工程中，通过增大结构表面粗糙度，使形成的谐振腔损耗大于增益，为抑制高功率激光装置主放大系统自激振荡提供了依据。

基于PANDA自主并行计算平台，采用模态叠加法开展了多点基础激励作用下的随机振动响应分析算法设计和并行实现研究，构建了相应的并行求解模块。针对光机装置打靶样机中的六自由度平台结构，基于自主研发的软件模块，分析了该结构的模态特性及结构在地脉动载荷下的微振动响应，并与试验结果及商业软件分析结果进行了比对，在模态频率、振型和位移响应方面，都具有较好的一致性，验证了相关软件模块的正确性和PANDA平台在实际工程结构分析中的可用性。

提出一种新型的宽带倍频方案，利用时空耦合效应将宽带的时间啁啾光转换成空间啁啾光，采用多块晶体并联、各晶体独立调谐的技术途径对空间啁啾光进行谐波转换，因此倍频效率与窄带激光倍频相当。理论研究表明，采用KDP晶体I类位相匹配，对中心波长为1 053 nm的宽带基频光实现了带宽约30 nm、转换效率大于60%的高效率宽带二倍频。而且倍频光仍为线性啁啾宽带光，具备可压缩性。