为了研究宽带TEM22模厄米-高斯光束通过受光阑限制色散会聚透镜系统的微米焦开关现象, 采用数值计算方法对TEM22模厄米-高斯光束的光强分布进行了分析, 取得了传输轴上光强分布的数据。结果表明, 带宽变化引起轴上TEM22模厄米-高斯光束两个光强极大的相对大小改变, 结果导致光强主极大位置跃变; 当相对带宽γ=0.231且菲涅耳数Fw=100时, 光强主极大位置跃变距离为2.5μm, 出现微米焦开关现象; 带宽和菲涅耳数是影响光束微米焦开关的重要因素; 菲涅耳数较大时, 较窄的带宽就可以诱导微米焦开关, 反之则需要较宽的带宽。此研究结果有助于光通信技术中微纳光学器件的设计和制作。

为了了解带宽对厄米-高斯光束的聚焦特性和焦移的影响,采用衍射积分推导了TEM11模和TEM22模厄米-高斯光束通过受光阑限制色散透镜的传输公式,并利用数值计算对聚焦光强分布进行了研究,分析了带宽对两种模式焦移的影响。结果表明,TEM11模和TEM22模厄米-高斯光束的焦移量都会随带宽增大而增大,但两者的大小依赖相对带宽；当相对带宽小于 0.25时,TEM22模焦移量大于TEM11模焦移量,然而相对带宽大于 0.25时,后者会稍大于前者；带宽变化使TEM22模轴上光强主极大和次极大发生消长,从而引起轴上光强极大位置发生跃变。该研究结果对宽带厄米-高斯光束的应用具有一定的参考价值。

为了研究频带宽度对激光光束传输和激光应用产生的影响, 采用衍射积分推导了矩形谱宽带激光通过双焦色散透镜后的传输公式, 利用数值计算研究了矩形谱宽带激光带宽诱导的焦开关现象, 分析得到带宽对光强分布和焦开关的影响。结果表明, 带宽是影响光强分布和焦开关形成的重要因素; 带宽变化会导致光强分布中光强主极大从一个位置跃变到另一个位置, 从而形成焦开关现象。该研究结果有助于进一步推动宽频带激光的应用。

基于衍射积分推导了矩形光谱的余弦高斯空间模式宽带激光通过薄透镜的传输公式,研究了激光通过薄透镜后的横向强度分布。通过数值计算比较分析了不同带宽时的强度分布波形变化。计算结果表明,在菲涅耳数较小的情况下,矩形光谱的余弦高斯空间模式宽带激光通过薄透镜后横向强度随带宽增大而变窄。但随着菲涅耳数增大,带宽对强度分布的影响减小。研究结果对宽带激光传输特性的深入研究和宽带激光的应用具有指导意义。

为建立一个高效率的基模振荡器模型,采用谐振腔理论和ABCD定律计算分析了热透镜对腔内模式的影响,研究了不同泵浦源对斯托克斯因子的影响。研究结果表明,在热透镜焦距300~350 mm范围内腔模变化较小,采用914 nm泵浦源可以提高斯托克斯因子从而提高振荡器效率。设计的基模振荡器在泵浦功率为50 W时,可得到34.7 W的激光输出,效率达到69.4%。

为了研究横向分布为平顶高斯模式的宽带激光通过硬边光阑系统的光强分布特性，采用衍射积分公式推导了平顶高斯模式宽带激光的每一频率分量在光阑系统中的传输公式，再通过傅里叶变换得到时间域的传输公式，详细分析了光阑和频带宽度对强度分布的影响。结果表明，近场光强在截断参量较大时，仍保持一定的平顶分布特性，但是随带宽的增加强度分布变窄；截断参量较小时强度呈高斯分布，并且带宽的变化对强度分布没有太大影响；然而在远场时截断参量较小情况下的光强分布也明显表现出随带宽增加而变窄的现象，但随着截断参量增大，这一变化趋势变缓。这些结果对平顶高斯模式宽带激光的应用具有重要参考价值。

研究了横向分布为平顶高斯模式的宽带激光在自由空间的传输特性，分析了频带宽度对其强度分布的影响。首先推导了平顶高斯模式宽带激光的每一频率分量在自由空间的传输公式，然后将频率域的传输公式通过傅里叶变换得到时间域的传输公式。基于推导的公式通过数值算例给出了不同频带宽度激光光束的强度分布结果，详细分析了空间模式的变化和时空耦合现象。研究结果表明：随着传输距离增大，平顶高斯空间模式趋于高斯分布。同时随着带宽增大，平顶高斯模式宽带激光表现出更强的时空耦合现象，并导致其空间横向分布发生明显变化。变化的主要特征为波前的强度分布随带宽增大而变窄，波后的强度分布则随带宽增大而远离轴中心向外扩展。

为了建立一个基于888nm半导体抽运的高平均功率和高效率皮秒激光振荡器的理论模型，采用模拟计算方法和谐振腔理论、ABCD定律、自洽条件以及连续被动锁模条件，利用激光晶体Nd∶YVO4对波长888nm半导体抽运源的吸收特性和元件的相关参量、合适的腔模参量、实现稳定锁模的参量进行了理论分析和计算，并通过以上研究和模拟计算得到了皮秒振荡器模型的相关数据。结果表明，在120W的抽运功率下，激光器可以输出约61.5W的皮秒激光，光光转换效率51.3％。这一理论模型的建立对高平均功率和高效率皮秒激光振荡器的实验研究起着指导作用。

为了研究超短啁啾脉冲复宗量拉盖尔-高斯光束合理的物理模型和光束参量对物理模型的影响,采用复振幅包络表示式和复解析信号表示式推导了这类脉冲光束的复振幅包络解和复解析信号解。对复振幅包络解奇异性的产生进行了详细分析,讨论了脉冲啁啾、脉冲宽度和模式对复振幅包络解奇异性的影响。计算结果表明,当脉冲光束存在啁啾时,啁啾量越大,复振幅包络解的奇异点位置离光束中心越近,而复解析信号解在任意大小啁啾的情况下都不存在奇异性;对于啁啾量相同的脉冲,脉冲宽度越小或模指数越大其奇异性位置离光束中心越近。因而要建立激光光束合理的物理模型必须根据光束参量采用合适的研究方法。

实验研制了端抽运Nd∶YVO4放大器和侧抽运Nd∶YAG放大器相结合的高功率高光束质量皮秒激光器。这一系统充分利用了Nd∶YVO4 晶体受激发射截面大和Nd∶YAG晶体热导率大的优点。端面抽运Nd∶YVO4放大器使振荡器输出的激光获得高增益而迅速放大, 随后的侧面抽运的Nd∶YAG激光模块放大器有利于大功率抽运从而得到高功率激光输出。侧抽运Nd∶YAG放大器采用了双程放大的方式设计, 利于提高放大器的效率。为保证光束质量和光束模式匹配, 在放大器之间设计了合适的空间滤波器。激光器输出平均功率43.4 W, 光束质量因子M2<1.7的皮秒激光。