1、高功率激光在國防、天文研究和新能源探索領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。許多國家搭建了大型的固體激光裝置，如美國的國家點(diǎn)火裝置（NIF），羅徹斯特大學(xué)的OMEGA EP裝置，中國的神光-Ⅲ。大型激光裝置的建造與運(yùn)行中遇到的諸如高通量下光學(xué)元件損傷問題等，迫切需要開展相關(guān)實驗研究。在此背景下，世界上一批中口徑高功率固體激光系統(tǒng)也建立起來了，它們的主要任務(wù)是完成相關(guān)物理實驗的驗證。中口徑固體激光系統(tǒng)，除了在規(guī)模上相對較小之外，基本結(jié)構(gòu)與大型激光裝置相似，

2、并且工作效率相對較高，運(yùn)行比較靈活。因此，搭建一臺高光束質(zhì)量高性能的中口徑高功率固體激光系統(tǒng)，能夠開展高能量高功率激光應(yīng)用方面的科學(xué)研究，為大型高功率激光驅(qū)動器的搭建提供科學(xué)實驗數(shù)據(jù)。
　　本文研究設(shè)計的高性能百焦耳級固體激光系統(tǒng)，正是支撐大型激光裝置的物理實驗驗證，完成紫外光學(xué)元件損傷實驗的中口徑激光系統(tǒng)。它采用主振蕩功率放大（MOPA）結(jié)構(gòu)，由全光纖前端產(chǎn)生的1053nm種子源，經(jīng)多級釹玻璃放大，達(dá)到100J級，光束口徑Φ60

3、mm，經(jīng)兩塊磷酸二氫鉀（KDP）晶體實現(xiàn)三倍頻351nm激光輸出，能量達(dá)到50J。該系統(tǒng)激光輸出光束質(zhì)量高，具備空間強(qiáng)度整形能力，波前整形能力，脈沖波形整形能力。該系統(tǒng)具有較高的能量穩(wěn)定性和光束指向穩(wěn)定性，運(yùn)行發(fā)次間隔為30min，每一發(fā)都可監(jiān)測基頻和三倍頻的近場分布、能量和時間波形，常規(guī)運(yùn)行在1ω/80J和3ω/40J，是一臺鋼鐵般的武器級“用戶裝置”。本文介紹了百焦耳激光系統(tǒng)的設(shè)計，并針對激光輸出光束質(zhì)量的近場空間分布和波前分布兩個

4、方面進(jìn)行了深入研究，利用可編程液晶空間光調(diào)制器和低成本小口徑變形鏡，有效的提高了光束質(zhì)量，具體工作包括以下幾個方面。
　　設(shè)計了激光器的總體構(gòu)型，采用四級全釹玻璃棒放雙程放大結(jié)構(gòu)，設(shè)計基頻最終輸出1053nm/Φ60mm/100J/3ns。介紹了激光器的5個分系統(tǒng)：全光纖前端系統(tǒng)，激光放大、傳輸及能源系統(tǒng)，頻率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，光束控制與測量及同步系統(tǒng)和計算機(jī)集中控制系統(tǒng)。設(shè)計了主光路的雙面立墻的光路排布，并完成了整體的光學(xué)調(diào)試。介紹了激

5、光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，完成了整個激光器的安裝，并初步測試了激光系統(tǒng)輸出參數(shù)。
　　針對如何提高激光輸出的近場光束質(zhì)量，分析確定了使用可編程液晶空間光調(diào)制器。對于基頻光，考慮主放大鏈路的增益和傳輸?shù)目臻g不均性，利用線性放大模型，研究了基頻光的近場補(bǔ)償算法；對于三倍頻光，考慮晶體頻率轉(zhuǎn)換過程中的能量非線性效應(yīng)和晶體各個位置傳輸?shù)目臻g不均性，利用非線性傳輸模型，研究了三倍頻光的近場補(bǔ)償算法。在百焦耳激光系統(tǒng)中，實驗研究了基頻光和三倍頻光的近場

6、光束質(zhì)量改善。結(jié)果表明，基于液晶空間光調(diào)制器能夠?qū)崿F(xiàn)近場空間強(qiáng)度整形，通過優(yōu)化算法，得到了高近場光束質(zhì)量的激光輸出，基頻光近場調(diào)制度達(dá)到1.26:1，三倍頻光近場調(diào)制制度達(dá)到1.42:1。
　　針對如何優(yōu)化激光輸出的波前分布，分析了基頻光波前測量方法，確定了使用變形鏡改善激光系統(tǒng)波前分布。研究了利用低成本小口徑變形鏡放在激光系統(tǒng)前級進(jìn)行波前整形方法，并通過了實驗驗證，在百焦耳固體激光系統(tǒng)上得到了波前近平頂分布激光輸出。結(jié)果表明，利

7、用前級小口徑變形鏡能夠補(bǔ)償復(fù)雜高功率固體激光系統(tǒng)內(nèi)部引起的波前畸變，改善的末級輸出波前，達(dá)到近平頂分布的波前輸出，最后得到基頻光輸出波前P V值為0.29λ，RMS值為0.06λ。
　　研究了高功率激光系統(tǒng)中空間強(qiáng)度整形與波前整形的相互影響關(guān)系。在百焦耳激光系統(tǒng)中，利用空間光調(diào)制器和前級小口徑變形鏡完成了激光空間強(qiáng)度與波前的聯(lián)合整形，實現(xiàn)了空間強(qiáng)度和波前分布同時均勻的激光輸出，結(jié)果表明，基頻光輸出近場調(diào)制度優(yōu)于1.4:1，同時波前