高功率激光束焦斑特性是影响聚变物理实验的关键因素之一。焦斑特性主要取决于聚焦前的光束位相分布,其中低频位相畸变主要决定焦斑主瓣,中高频位相畸变主要决定焦斑旁瓣。有关低频位相畸变的研究很多,通过低频位相畸变的研究我们掌握了它的传输规律、与焦斑主瓣的关系,还通过限制光学元件低频位相噪声以及利用变形镜对它采取了主动控制措施。对中高频位相畸变来说,由于其传输性质复杂,还没有掌握它的传输规律,以及它与焦斑旁瓣的关系,更无法对它采取控制措施。 高功率激光束中高频位相畸变主要来源于装置中成百上千个光学元件,如果不加以控制,经过叠加和非线性增长在打靶聚焦时会引起高强度的焦斑旁瓣,高强度的旁瓣打在靶洞边沿会形成等离子体堵孔而导致实验失败。同时高通量运行时中高频位相畸变还有引起自聚焦导致光学元件破坏的风险。因此通过研究高功率激光束中高频位相畸变的传输性质及其对焦斑旁瓣的影响,找到有效控制中高频位相畸变的措施,对实现ICF驱动器打靶是非常有意义的。本文研究的主要内容和主要进步点有以下几个方面: (1) 基于B-T理论,通过高功率激光束位相畸变的空间频率非线性增长特性的研究,以及装置打靶对焦斑的物理要求,建立了高中低频位相畸变的划分方法。并根据这种划分方法,划分了神光Ⅲ原型装置高中低频位相畸变的范围。 (2) 由于实际装置中中高频位相畸变的传输物理过程比较复杂,首先将问题简单化处理,建立了一个简单的局部中高频位相畸变的模型,研究了局部位相畸变对近场调制的影响规律。然后根据神光Ⅲ原型装置的实际情况数值模拟了由光学元件引入的位相畸变对光束近场的影响,并通过分析级间B积分和空间滤波器小孔对近场均匀性的作用,讨论了控制光束近场均匀性的主要措施。 (3) 基于波前畸变PSD的定义和光束近远场之间的傅立叶变换关系,通过对正弦函数波前的解析分析,得到了在中高频位相畸变的幅度满足Φ<<2时,中高频位相畸变PSD与焦斑旁瓣具有非常好的近似关系,并且这个关系只取决于中高频位相畸变的幅度Φ,与空间频率没有关系。还用数值的方法验证了这个结论是正确的。 (4) 基于B-T理论研究了各种空间频率成分位相噪声在频谱面上的非线性增长特性,并研究了表征位相畸变各种空间频率成分分布的PSD的线性传输和非线性传输规律。在满足B-T理论成立的条件时,得到了中高频位相畸变传输前后的PSD满足的解析关系式。还从波前PSD的定义出发,用解析的方法分析了中高频位相畸变PSD的叠加规律,初步研究了用部分相干叠加方法、并基于PSD的光学元件技术指标分解技术。