为了确保窄脉宽XeCl准分子激光系统获得高峰值功率紫外激光脉冲，实验研究了紧凑型四向电子束泵浦XeCl准分子激光器的输出特性。通过调节激光腔室气体介质的总气压和气体摩尔比、激光器的充电电压、二极管阳极钛箔厚度等参数，发现了激光能量随以上条件的变化规律，分析得到了激光器运行的最佳条件。在最佳条件下XeCl准分子激光器的脉冲能量大于100 J、脉宽约200 ns，电光效率约为5.81‰。另外，通过改变激光器内部Marx发生器的开关气压，研究了紧凑型电子束泵浦XeCl准分子激光器输出激光脉冲的延迟抖动特性，发现激光脉冲的延迟抖动可优于20 ns。研究结果表明: 紧凑型电子束泵浦XeCl准分子激光器可实现脉冲抖动小于20 ns、103 J的高能紫外激光输出，可满足窄脉宽XeCl准分子激光系统运行的需要。

为实现电激励重频HF激光远距离传输，在较短的谐振腔内产生大模体积的高质量激光束，开展了激光器正支虚共焦非稳腔的结构设计、仿真计算和实验研究。仿真结果表明，随着放大率M的增大，远场光斑中心亮斑包含的能量逐渐增大，能量向中心转移，远场光斑尺寸和远场发散角也随放大率M增大而减小。实验结果表明: 随着放大率M的增大，远场光强分布、光斑尺寸和发散角变化规律与仿真结果一致，但输出激光能量以先增大后降低的规律变化。综合考虑高光束质量和高能量的指标要求，在流场正常工作情况下，当放大率M为3.0时，获得了远场发散角为2.37倍衍射极限和激光能量稍低于稳定腔(约为稳定腔激光能量的94.6%)的重频激光输出，满足激光远距离传输需求。

数值模拟975 nm和1975 nm双波长泵浦3.5 μm Er∶ZBLAN光纤激光器。计算给出激光功率和粒子数密度随时间和位置的二维分布,计算结果与实验报道吻合较好。模拟双波长泵浦3.5 μm Er∶ZBLAN光纤激光器实现稳定连续激光振荡的整个过程,计算分析泵浦功率、1975 nm泵浦光重叠因子、输出镜反射率、离子间相互作用等参数对3.5 μm激光功率的影响,分析ESA2产生显著影响的条件。数值模拟对深入理解双波长泵浦3.5 μm Er∶ZBLAN光纤激光器的动力学过程和优化激光器设计有一定指导意义。

为了获得稳定的、大能量重频中红外HF激光输出, 基于紧凑型、闭环放电引发非链式HF中红外化学激光器, 从能量影响因素、解决措施和实验验证三个方面系统性地研究了100 Hz重频HF激光的能量稳定性。首先结合非链式HF化学激光动力学过程和静态重频实验, 分析发现了影响重频放电引发非链式HF化学激光器脉冲能量稳定性的三个主要因素, 包括均匀体放电难以维持、基态HF分子强的消激发效应和工作气体的持续消耗。然后利用工作气体循环流动置换增益区气体, 当增益区气体流速为9 m/s时激光器100 Hz重频运行的放电状态维持良好, 获得100 Hz/ 55 W的激光输出。最后, 采用分子筛吸附分离基态HF分子纯净工作气体以及实时补给工作气体, 提升了重频HF激光器长时间运行的能量稳定性。实验结果表明：100 Hz重频放电引发非链式HF激光器获得了30 s的长时间稳定输出, 激光能量下降率可优于10%。综合工作气体循环流动、分子筛吸附基态HF分子和工作气体实时补给, 放电引发非链式HF激光器实现了高重频长时间的稳定输出。

为了获得高重复频率高功率中红外氟化氢(HF)激光输出,采用自动紫外预电离和对称Chang氏电极结构,制备了闭环的非链式重复频率HF激光器,并对其进行了详细介绍。实验研究了激光器的输出特性和重复频率运行特性,获得了激光能量随重复频率的变化规律。在增益区气体流速为16 m/s,工作电压为25 kV,总气体压强为8.5 kPa、物质的量分数分别为92%和8%的SF₆和C₂H₆混合气体条件下,实现了重复频率为150 Hz、平均功率为200 W的HF激光输出。

建立了适用于2.8 μm增益开关掺Er ³⁺的氟化物光纤(Er∶ZBLAN)激光器的计算模型,并进行了数值模拟。模拟发现存在最佳输出镜透过率使得输出功率最大,同时耦合率也影响脉宽、峰值和脉冲形态。模拟了抽运功率对脉冲形态的影响,发现弱抽运时两个抽运周期内仅出现一个信号光脉冲,而强抽运时一个抽运周期内出现多个信号光脉冲的现象。通过模拟发现了若干未被实验报道的新现象和规律,如耦合率对输出功率、能量、脉冲形态的影响规律;抽运功率阈值附近会出现与抽运周期一致的弱信号脉冲等。研究表明,在适当耦合率和抽运功率时,2.8 μm Er∶ZBLAN激光器可以实现稳定增益开关脉冲输出。

基于自动紫外预电离的放电引发方式,研制出紧凑型闭环高重复频率非链式HF化学激光器。该激光器采用非对称电极结构,放电腔室的尺寸为12 mm×17 mm×460 mm。为了实现重复频率运行过程中放电区气体的快速置换,循环气体垂直于光轴流过放电区,气体流速约为9 m/s。当总气压为14 kPa时,在摩尔分数分别为92%和8%的SF₆和C₂H₆混合气体中,100 Hz重复频率脉冲HF激光器的输出功率为50 W。

利用项目组研制的放电引发脉冲HF激光器,测量并研究了激光输出光谱的特性。结果表明:放电引发脉冲HF激光光谱的能量主要集中于v(3—2),v(2—1)以及v(1—0)三个振动跃迁辐射带,在2.65~3.05 μm波长范围内测量得到了13~16条主要的输出谱线,其中v(2—1)振动跃迁输出能量占比最大,在40%~50%之间。适当改变充电电压和工作气体总压力可以调节各个振动带输出能量的比例:v3振动能级输出能量的比例随着激光器充电电压的增加而增大,随着工作气体总压力的升高而减小,这与v1振动能级的情况相反。

为了避免阳光背景干扰, 针对XeF(C-A)蓝绿激光水下应用需求开展了激光线宽压缩实验以提高信噪比。采用内置标准具的光栅谐振腔开展相关实验。利用光栅腔实现亚纳米级的激光线宽输出, 然后在此基础上, 通过插入标准具进行更精细的激光线宽压缩实验。利用光栅腔, 采用1 200线/mm光栅并提高光栅辐照面积可以实现0.14 nm的激光线宽输出。腔内插入反射率为50%的标准具, 可以进一步将激光线宽压缩至39 pm, 激光单脉冲能量约为65 mJ, 脉冲宽度为1 μs。实验结果表明: 尽管XeF(C-A)蓝绿激光器的增益系数较低, 但是通过优化光栅和标准具的工作参数, 对谐振腔光学损耗进行合理的控制, 激光器可以实现10 pm量级的激光线宽输出。

气体介质稳定体放电是放电激励气体激光器高效输出的基础和前提, 预电离是实现高压气体介质稳定体放电的有效技术途径之一。基于放电激励脉冲HF激光器电气结构总体设计要求设计了结构紧凑的紫外光自动预电离装置, 并对其在气体介质中预电离产生的初始电子数密度进行了数值模拟。模拟结果表明: 在整个放电区域内初始电子数密度均在109/cm3左右, 满足介质体放电要求。通过激光器能量输出实验评估了预电离效果, 对SF6和H2混合气体介质, 在充电电压较低时, 输出能量有数倍的提高; 对SF6和C2H6混合气体介质, 在充电电压20 kV时激光器输出能量由200 mJ提高至297 mJ, 提高了近50%。实验结果表明: 该预电离装置对改善激光器能量输出特性有明显效果。