为了实现对激光惯性约束聚变中物理过程的诊断，建立了X射线显微成像系统.对该系统所采用的超环面镜成像特性、系统的光学设计、像差分析、公差分析和装调方法进行了研究.首先，以等离子体诊断的要求为依据确定了部分光学系统参数，设计了由U型排布的两个超环面镜和一个用于谱选择的平面镜构成的显微成像系统.根据消像散聚焦初步确定三个反射镜的结构参数，并利用光学设计软件进行了优化.接着，分析了X射线显微镜的球差、彗差、视场倾斜和像散.通过分析系统参数变化对成像质量的影响，根据系统精度要求确定了合理的公差.最后，针对离线超环面镜离轴掠入射装调问题，设计了一种辅助光学系统，并为在线高精度系统装调设计了一种双向双目交汇瞄准系统.实验结果表明：显微成像系统在物方视场500 μm处的分辨率优于5 μm，基本满足激光等离子体X射线成像的大视场和高分辨等要求.

针对激光聚变装置冲击波速度被动测量的需求, 设计了一种测速光学系统。采用高紫外透过率的氟化玻璃, 实现了透射式300~800 nm复消色差设计。系统光路具有前后两组镜头, 中间为平行光, 镜头间距可变, 光路适应能力强。系统前端两侧的双目机器视觉能够完成自动寻的。平行光路中设置5个激光器, 轴上的1个前向照明靶点用来观察条纹相机狭缝处的目标像质, 轴外的4个与光轴平行后向传输用来标识系统光轴的位置, 激光器部件可电动切入/切出。系统前组镜头F/#数为4, 宽谱工作物方分辨率优于10 μm, 532 nm单波长工作物方分辨优于5 μm。该光学系统光路排布灵活, 可单独被动测速, 也可与主动测速系统VISAR耦合构成主被一体复合测速系统, 满足激光聚变装置冲击波测速的需求。

通过分析激光聚变中近背向散射光的收集方式, 提出了采用漫反射板收集近背向散射光的方法。通过对漫反射板的应用场景分析, 提出了需要研究的漫反射板特性, 并搭建了漫反射板特性测量装置。测量并分析了漫反射板的方向半球反射比、双向反射分布函数、面均匀性、真空特性和紫外特性。分析结果表明: F4目标板具有接近于0.99的高反射率, 光谱平坦性, 近似余弦分布的双向反射分布函数, 较高的面均匀性, 以及较小的紫外真空影响。因此, F4目标板满足激光惯性约束聚变中近背向散射光的测量需求, 采用漫反射板收集近背向散射光的方法可行。

为满足爆炸冲击作用下物质界面的速度测量需求，设计了一种复合式多点测量的速度干涉仪。采用物方和像方双远心光路，将光纤阵列出射的照明激光定点投射到待测物面上，实现了针状滴注式照明，充分利用了照明激光能量，且保证了待测物面在运动过程中具有恒定的照度。成像系统像面采用末端为大芯径的锥形光纤接收信号光，既保证了物面运动过程中信号光与光纤的有效耦合，又保证了信号的单模输出，以便进入单模光纤马赫-曾德干涉仪进行差频干涉。采用具有微小楔角、沿直径方向镀矩形带状45°反射膜的反射镜，将照明光路与成像光路同轴，并校正了成像系统的大量像散。该干涉测量系统在物面运动10 mm的行程中，物面滴注式照明照度保持恒定，像面光斑大小没有超出大芯径的光纤芯径。此光学系统能够满足爆炸冲击界面的大行程速度测量需求。

相位补偿器是偏振干涉仪的核心部件, 其稳定性直接影响偏振干涉光谱仪的可靠性.本文分析了相位补偿器的光程差相对灵敏度、光楔倾斜误差、斜入射角误差和温度适应性等指标, 并给出相应的误差容限计算公式.研究表明：相位补偿器移动光楔沿运动方向的抗干扰能力是经典迈克尔逊干涉仪的2/Δnsin θ倍, 抗倾斜能力是经典迈克尔逊干涉仪的1.75/Δn倍;当入射光以微量倾斜误差入射后, 相位补偿器不会产生额外的附加光程差; ―20～85℃范围内的温度变化对相位补偿器产生的最大光程差误差为1.8 μm, 具有很高的热稳定性; 当光楔角为30°时, 干涉仪在性能、尺寸和成本之间达到均衡; 晶体材料的双折射率差通常远小于1, 偏振干涉的稳定性更加明显.本研究为相位补偿器在更为复杂的环境中的应用奠定了基础.

偏振成像技术是一种基于目标自身辐射或反射信号中所包含的偏振信息获取物体图像的方法，尤其在人工目标的探测和表面识别方面，相对光强度探测方式具有独特的优势。针对传统的偏振成像技术在复杂的成像环境中成像距离短和成像质量差的缺点，提出了一种基于压缩感知的新型偏振光成像技术。阐述了压缩感知理论的基本原理，构造了合适的采样矩阵和重构算法，设计了具体的成像系统，并通过压缩感知偏振成像实验证明了该成像技术的可行性。空气中实验结果表明，该成像系统能够重构出预先放置目标靶的偏振图像。此外在现有的实验条件基础上讨论并提出了几种改进系统成像质量的措施。

为了获取准确的激光打靶实验数据，需要使用诊断搭载平台搭载物理诊断设备对打靶目标进行高精度准直。针对传统方法存在耗时、误差(RMS)较大的问题，根据搭载平台与物理诊断设备的特点，提出了一种基于视觉伺服的精确自动准直方法。首先，构建三维准直向量估算立体视觉系统中靶的偏差，在弱透视条件下，估算值接近于真值；然后，建立三自由度姿态调节模型，提高姿态调节精度。最后，运用准直向量与调节模型设计视觉伺服控制器，仅需一次离线标定即可进行快速准直。通过以上改进，实现了物理诊断设备的精确自动准直。实验结果表明,诊断设备的准直精度(RMS)分别为：x指向为11 μm，y指向为12 μm。搭载分幅相机进行激光打靶考核验证，得到了物理实验过程的X光焦斑图像，表明准直方法满足工程使用要求。

为满足高功率激光装置全程光路自动准直快速性及高精度的要求, 提出了一种光斑对应椭圆的长短轴差值法对光斑形状调节, 并结合重心法快速、高精度的获取光斑图像中心位置.利用大律法、3×3邻域法及8向链码法对光斑图像进行处理, 得到面积最大的光斑;分析最大光斑区域中心距, 求出最大光斑对应椭圆的长短轴长, 并根据长短轴差值调节光斑形状, 至长短轴差值近似为零, 获得形状最规则的光斑;分析形状最规则光斑的中心位置与其基准位置在x和y方向的偏差, 并将该差值转为闭环控制的步进电机所需要调整的步数, 实现激光光束的自准直.该算法应用在高功率激光装置中, 结果表明, 主放大光路的准直时间缩短为15 min, 近场准直的准确度优于0.2%, 远场指向准确度优于1 μrad, 满足高功率激光光束的准直要求.