高功率纳秒光纤激光器已经被广泛应用于激光雕刻中。以碳钢作为研究材料，使用主振荡功率放大（MOPA）光纤激光器系统研究了脉冲宽度、能量密度和脉冲重复频率（PRF）对激光雕刻结果的影响，且每组参数作用下的材料去除率（MRR）和平均表面粗糙度（S_a）使用三维（3D）轮廓仪进行测量。研究发现：使用较长的脉冲宽度和较高的能量密度会得到较大的MRR和S_a；使用较短的脉冲宽度和较高的能量密度也能得到较大的MRR和S_a，这是较高的脉冲重叠率造成的；存在临界PRF，该值在使得MRR较大的同时，可使得S_a较小。最后，使用优化的工艺参数得到了高质量、高MRR的雕刻效果。

高功率大能量的超快碟片激光振荡器在基础科研、工业生产、生物医学以及****等领域有着广泛的应用。克尔透镜锁模是碟片激光器实现超短激光脉冲产生最常用的方法之一，围绕克尔透镜锁模碟片振荡器展开详细的论述。首先介绍了克尔透镜锁模的工作原理，然后概述了目前高功率、高重复频率、窄脉宽以及新波长的克尔透镜锁模碟片振荡器的研究现状，最后对克尔透镜锁模碟片振荡器的具体应用及未来发展趋势进行总结与展望。

对100 kHz运转的腔倒空薄片激光器的输出特性进行了理论和实验研究。首先建立起腔倒空薄片激光器的速率方程理论模型,模型中考虑了单位时间谐振腔中新增的自发辐射光子数,对其占总自发辐射光子数的比例进行了分析,并结合一些参数进行了仿真。进一步搭建了重复频率为100 kHz的腔倒空薄片激光器实验装置,获得了平均功率为253 W的纳秒激光脉冲输出,光光效率约为35.2%,脉冲宽度为10.4 ns,单脉冲能量为2.53 mJ,脉冲的峰值功率超过了200 kW, x和y方向的光束质量M²分别为9.77和9.27。针对腔倒空调Q的动力学稳定性问题,研究了普克尔盒开关时间对输出平均功率和输出脉冲稳定性的影响,实验中观察到了倍周期分岔和确定性混沌现象,从理论上对这个现象进行了仿真分析,仿真结果可与实验结果相符。

碟片激光器因具有高峰值功率与大能量等特性备受青睐,但在输出高功率激光的同时碟片晶体也极易受到热效应的影响而发生形变,致使光束质量劣化。设计并制作了一种简单的变形镜来补偿碟片晶体的光焦度变化。通过调节气室的气压,变形镜的曲率半径可以实现在2.050 m至+∞之间调整。基于此变形镜,碟片激光器的工作点能够随着光焦度的改变而同步移动。碟片上的激光光斑半径在整个泵浦范围内保持不变。因此碟片激光器可以保持工作在基模而激光光束质量因子M²从阈值至最大激光输出均不超过1.2。

近年来,超快激光器已成为激光精密制造的主力光源。为进一步提高激光加工效率和加工能力,需获得更高平均功率、更大单脉冲能量的超短脉冲激光器。本文基于自研的单薄片模块和串接的双薄片模块分别搭建了一套皮秒薄片激光再生放大器,其中基于单薄片模块的再生放大器采用脉宽小于10 ps的种子源,最终获得平均功率44.2 W、脉冲宽度9.3 ps、单脉冲能量220 μJ的脉冲激光输出,放大器效率约为13.4%。基于串接的双薄片模块的再生放大器采用脉宽800 ps的种子源,在重复频率200 kHz时获得了126 W的激光输出,在重复频率100 kHz时,实现最大输出单脉冲能量为0.96 mJ。考虑到放大的自发辐射的影响,对单薄片结构再生放大器的动力学过程进行了理论建模,得到和实验相符的结果。更进一步的仿真计算和实验表明较低的单程增益使得薄片再生放大器的光光效率受腔内损耗影响较大,降低腔内损耗是实现高效率薄片再生放大器的关键之一。

薄片多程激光放大器通过种子光多次通过片状增益介质来提取能量,可实现高平均功率、高脉冲能量、高光束质量的激光输出,是高功率短脉冲激光系统的重要组成部分。基于Yb∶YAG片状晶体,设计并搭建了可实现种子光20次放大的薄片多程激光放大器。采用该激光器对高重复频率种子光进行放大实验,认为该片状多程激光放大器可有效保证输出光的光束质量,但光谱不匹配会影响脉冲光的单程增益。

为了提升激光可控断裂法切割玻璃的质量,研究了6.45μm激光照射浮法玻璃后材料的温度变化。利用激光输出的连续功率计算了6.45μm激光照射玻璃后的温度分布,并通过实验验证了该模型的正确性;模拟对比了相同激光参量下6.45μm激光和10.6μm激光加热玻璃后的温度场,通过实验获得了光滑、无表面裂纹的切割样品。结果表明,6.45μm激光产生的表面温度低于10.6μm激光；6.45μm激光可以利用热裂法获得高质量切割端面。该研究对中红外激光玻璃切割的模型建立和方案优化具有一定的帮助。

采用空间载频干涉方法在精确测量薄片激光晶体热畸变的基础上,深入研究了射流冲击冷却系统对薄片激光晶体热畸变的影响。实验结果表明,射流冲击冷却系统引起薄片激光晶体的畸变主要是球面形变。随着抽运功率的增加,薄片激光晶体的热畸变越发严重,在抽运区中心部分,以球面形变为主,其光焦度随抽运功率的增加呈线性下降。而在抽运区的边缘,以非球面形变为主,抽运功率越高,非球面畸变就越严重。给出了493 W抽运条件下热畸变的波前畸变曲线,其均方根的重复测量精度为1.153 nm。实验结果与理论分析结果相符,该研究为薄片固体激光器谐振腔的设计和热畸变的补偿提供了重要依据。

为了有效提高激光打孔的速率和激光能量的利用率, 采用长脉冲激光和短脉冲激光空间叠加打孔的方法, 对复合激光打孔的最佳匹配参量进行了理论和实验研究。建立复合激光打孔最佳匹配模型, 以熔融物的产生和去除达到平衡为准则, 理论计算得出长脉冲激光和短脉冲激光的最佳匹配参量和最佳匹配情况下的复合激光打孔速率。同时进行了毫秒脉冲和纳秒脉冲的 Nd∶YAG激光器复合作用于5mm的不锈钢板的打孔实验。结果表明, 在实验中得到的最佳匹配参量下, 复合激光打孔速率相比于毫秒脉冲激光单独打孔最大提高了3.3倍。实验和理论模型均证明了复合激光打孔在最佳匹配状态下, 打孔速率达到最大, 激光能量得到充分利用。