为了研究光纤激光的非相干合成特性, 建立了圆环状排布的光纤激光阵列光束合成模型, 模拟分析了单元光束束腰半径w0、波前畸变和光束间距对非相干及相干合成远场光束质量的影响。讨论了多路激光平行性对非相干合成效果的影响, 并进行了相关实验验证。结果表明,单元光束无波前畸变时, 当光束间距为d0=2.8w0时, 非相干与相干合成光束质量相等; 单元光束存在波前畸变时, 光束间距有所减小, 这是因为波前畸变对非相干合成影响更小; 对于非相干合成, 随着多路激光之间不平行度的增大, 非相干合成光束质量逐渐变差, 并且单元光束质量越好, 对多路激光平行性要求越高。该研究可为实际光纤激光合成系统设计分析提供参考。

为了实现薄片激光器高吸收转换效率的目的,采用多次抽运吸收的方式,结合光斑离轴非对称反射抛物面和光斑对称分布非球面的抽运结构,提出了一种可以提高非球面光束分布占空比的高冲程抽运的新方法。设计了多种不同抽运冲程的结构,使用ZEMAX模拟验证了24冲程抽运时的光路分布和光斑位置图,通过比尔吸收定律理论计算了不同抽运冲程下薄片晶体对抽运光的吸收效率。结果表明,所设计的24冲程、36冲程、40冲程和80冲程的抽运结构,其中36冲程的吸收效率的性价比最高。该研究对高功率、高冲程、小体积的抽运结构设计具有指导作用。

为了将虚共焦非稳腔输出光束质量高和角锥棱镜谐振腔具有免调试的优点结合到一起，提出了用球面角锥棱镜构成虚共焦非稳腔的方案。利用已有虚共焦非稳腔钕玻璃激光器，设计加工了一球面角锥棱镜非稳腔钕玻璃激光器。模拟计算了两谐振腔输出光束的模式分布，然后对两钕玻璃激光器进行了实验对比研究。结果表明:实验得到的模式分布与模拟计算结果相吻合，球面角锥棱镜非稳腔钕玻璃激光器与虚共焦非稳腔钕玻璃激光器分别获得了最大2 176.9 J和2 340.6 J的能量输出，二者的电光效率与束散基本相同，分别为4.3%,0.30 mrad和4.6%,0.26 mrad。

设计了一种新型的钕玻璃激光器谐振腔以满足激光器高稳定性及高强度激光输出的要求。该激光器利用角锥棱镜阵列作为谐振腔后腔镜, 平面镜作输出镜, 大尺寸钕玻璃棒作激光工作物质。对激光器进行了实验研究, 实验中获得了能量大于450 J的1.06 μm激光输出, 发散角为0.6 mrad左右, 电-光效率为2.1%。实验中采集到的光斑不是一系列振幅(强度)相等的小光斑, 而是中间有一个巨峰, 在其周围分布着一系列振幅(强度)小得多的次峰。对实验结果进行了解释与讨论, 提出了利用角锥棱镜阵列进行激光束相干合成的设想。

为了进一步提高激光器输出功率，针对脉冲串工作的2kJ高能量钕玻璃固体激光器，采用有限差分法，对比研究了传统恒温水冷方式和采用传统水冷与加热控制相结合的新型热管理技术下的激光棒温度分布情况。结果表明，采用新型热管理技术可以降低激光棒内的温度梯度，确保高能量激光输出。

针对kJ级大能量钕玻璃固体脉冲激光器,对比研究了传统恒温水冷方式和采用加热控制的新型热管理技术下的激光棒温度分布情况.结果表明,采用新型热管理技术可大大降低棒内温度梯度,减小泵浦过程中的热效应,确保大能量激光输出;而且加热循环水的最佳升温值在单泵浦脉冲引起的激光棒平均温升值附近,使得径向温差最小,该最佳升温值与脉冲间隔时间有关,比如脉冲间隔15 s时,循环水在每个脉冲过后的最佳升温值为单泵浦脉冲引起的激光棒平均温升值的0.85倍;采用加热控制后水温和激光棒温度整体升高,因此在工作一个脉冲串后,必须恢复激光棒温度到初始状态,然后再进行下一个脉冲串工作.

钕玻璃激光器采用双灯对称紧耦合非聚焦泵浦腔,先后以热容及常规水冷方式运行10 s(重复频率10 Hz),分别记录100个光脉冲的脉冲能量.通过对比实验分析脉冲能量变化趋势,热容方式运行的钕玻璃激光器的平均输出功率及单脉冲能量均高于常规运行方式,约为1.4倍.结合理论计算,验证了热容激光器在抽运阶段输出的全部脉冲串能量的理论值.该结果对进一步了解钕玻璃激光器热容运行方式的输出特性具有一定的参考价值.