研究了相同马赫数、相近雷诺数、不同口径(400 mm和2 000 mm)共形转塔的气动光学效应,系统地给出了发射方向不同时气动光学效应导致的光束倾斜角和光束质量因子的时间变化特性、统计特性以及时间相关特性。发现多数场景下气动光学效应中平均流场效应占主要部分,平均流场效应的特征频率由绕流流场的特征频率决定。尺寸效应的研究表明,缩比实验可以有效模拟实际飞行状态下气动光学效应的统计特性,但无法准确模拟其时间相关特性。开展了前向发射时发射方向的优化选择,指出发射方向在中轴线上天顶角约为40°时,气动光学效应导致的波前畸变统计值和涨落值最小,并且发射光束半径增加会导致平均流场效应快速增加,但湍流效应基本不变。

以实现高功率、高光束质量的脉冲激光输出为目的，对非对称平-凹谐振腔的结构进行了理论分析。设计出了高功率、高光束质量非对称放置的平-凹谐振腔、双氙灯泵浦的脉冲Nd：YAG激光器。当占空比为9％时．实现输出激光平均功率近480W，光束参数积优于12．7mm·mrad，电光转化效率近4％，与理论分析吻合，可用芯径300μm的光纤传输，不稳定性优于±1％。加工实验证明有较好的质量：切割材料为不锈钢，厚度为3mm时、切割速度为0．6m／min和厚度为1．5mm、切割速度为1．2m／min时，两种情况下所得切缝宽度均为250μm。且切割上下沿光滑。

针对激光器出光过程中腔内像差扰动带来的输出光束质量和光束能量下降问题，分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响，并采用数值迭代法计算了理想情形和腔内像散扰动对无源正支共焦腔输出模式强度和相位分布的影响，进一步采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合，得到了前35阶Zernike像差系数、点扩散函数（PSF）分布和环围能量曲线，计算了腔内像散扰动量与远场Strehl比的关系。结果表明：对小菲涅耳数正支共焦腔，腔内像散扰动对输出光束强度和相位分布均有明显影响，相位分布中一些高阶Zerni—ke像差也有所增大。因此在进行腔内像差校正时，应优先考虑此类像差的校正。

给出了环状光束在柱坐标系下的一种描述模型,并利用广义衍射积分理论,推导出环状光束经过近轴ABCD光学系统的传输公式。在此基础上,通过数值模拟方法定量分析了环状光束的聚焦光强分布以及焦面处的桶中功率。研究结果表明,环状光束的聚焦特性与光束阶数以及系统菲涅耳数有关;环状光束在实际焦面和几何焦面上的桶中功率均随着遮拦比的增大而降低,而随着系统菲涅耳数的增大而增大。在实际工作中,通过合理地选取系统菲涅耳数和光束遮拦比可以有效地控制环状光束聚焦后的光束质量。

光学元件“缺陷”制约着高功率固体激光装置负载能力的提升。从统计角度建立了振幅调制型“缺陷”模型，并针对神光Ⅲ原型装置助推放大级分析了“缺陷”分布的统计参量与光束近场质量的关系，得到了一般规律。结果表明，“缺陷”总密度的增加和幂指数的减小都使系统输出光强的中高频成分增加，光束近场质量变差；总密度的变化引起光强各中高频成分变化的幅度近似相等，频率间相对比重基本保持不变，幂指数的变化却会引起各频率间相对比重发生变化；一定范围内，“缺陷”尺寸越大对近场质量的影响越严重；对于助推段，需将元件的“缺陷”总密度控制在600cm^-2以下，幂指数控制在2．5以上。研究结果可为降低元件的损伤风险以提高系统的运行负载提供参考。