为了满足常温Yb: YAG激光放大器对泵浦功率密度的要求，设计了一种高缩束比的耦合系统。根据激光二极管(LD)的发光特性，将输出功率为80 kW的LD阵列进行拟球面排列，采用正交柱面透镜配合空心导光管进行泵浦耦合，耦合系统的面积缩束比高达86∶1。模拟计算表明，该耦合系统的耦合效率对导光管反射板的反射率依赖性较低，且脱离耦合系统后的泵浦光传输8.5 mm后，依然可以保持泵浦光场的轮廓,满足端面泵浦的常温Yb: YAG片状放大器对泵浦耦合系统的要求。

借助于Cr4+,Yb:YAG激光放大器抽运动力学模型，在浓度(原子数分数)厚度(mm)积为15%·mm、抽运功率密度为20 kW/cm2的情况下，对不同口径、不同掺杂浓度的Cr4+,Yb:YAG晶体放大器中的储能进行了模拟计算。计算表明，在不掺入Cr4+的Yb:YAG晶体中，随着Yb3+浓度的增加（横向尺寸不变）和横向尺寸的增加（浓度不变），最终获得的储能密度反而减小。但在混合掺入Cr4+后，放大器中的储能将受到Cr4+浓度的影响，在Yb3+的浓度和横向尺寸一定情况下，放大器中的最大储能随Cr4+的增加将先增加，后减小，即：在一定情况下，为了获得放大器中最大的储能，掺入的Cr4+离子浓度有一优化值，这一优化值将由Yb3+离子浓度和介质的横向尺寸确定。

为了实现高功率Yb∶YAG激光器的高效冷却，对大口径片状Yb∶YAG激光器的水冷结构进行了设计，采用有限元方法对该结构的传热效果进行了数值模拟，得到了该结构的表面对流传热系数、换热面的温度分布等参量。结果表明，该设计可以得到均匀的传热系数分布和温度分布，传热系数达到1.8×104W/(m2·K)，介质表面温差在1K以内，换热效果良好。

高功率二极管阵列泵浦固体激光系统的核心在于泵浦耦合技术，泵浦耦合直接决定了系统的成本、增益能力、增益均匀性、泵浦引发动态波前畸变和泵浦引发动态光束漂移等关键问题。通过对用于高功率二极管列阵泵浦固体激光系统泵浦耦合优化设计的3维光线追迹方法的研究，从二极管发光远场属性出发,建立其理论计算模型，对高功率激光二极管阵列端面泵浦大口径放大器的一种新型耦合方式——二极管列阵拟球面排列、空心镀银导管耦合进行了优化设计，并开展了泵浦耦合效率、泵浦场均匀性、泵浦场传输性等实验研究，实现了72%耦合效率、5 mm内80%传输效率的均匀平顶泵浦耦合场输出，理论计算与实验结果符合较好。

为了分析低温Yb:YAG放大器的放大特性，基于Yb离子抽运动力学及脉冲放大特性，对低温下Yb:YAG激光放大器的放大性能进行了理论研究，计算了不同晶体尺寸、不同掺杂浓度、不同温度以及不同抽运功率密度下的放大性能，建立了低温下热分析三维模型，对低温热管理效果进行了数值模拟。结果表明抽运功率密度、激光晶体尺寸、工作温度等参数对激光器效率均有显著影响，在100~300 K的温度范围内随着抽运功率的增大，最佳工作温度逐渐上升，不同尺寸的晶体在相同抽运功率密度下，最佳工作温度也不同。在低温强抽运条件下，较厚晶体的热管理效果优于较薄晶体。

采用理论与实验相结合的方法研究了激光二极管阵列泵浦的Cr4+:YAG被动调Q Nd：YAG激光器的输出特性。重点分析了调Q晶体小信号透过率和反射镜的反射率对激光器的输出能量、脉冲宽度的影响。对数值模拟结果进行了实验验证，数值计算与实验结果基本一致。研究结果表明，在特定的激光晶体参数下，Cr4+:YAG被动调Q激光器的输出能量与脉冲宽度由调Q晶体的小信号透过率和输出镜的反射率决定：输出能量随着小信号透过率增加而减小，对应于一个调Q晶体透过率，有一个最佳反射率使输出能量最大；脉冲宽度随着初始透过率与反射率的增大而增大。of Cr⁴⁺:YAG passively Q-switched laser

在高能重复频率运转的激光系统中，用作激光隔离、多程放大控制的关键单元普克尔盒遇到了通光口径限制与热效应的双重挑战。采用等离子体电极技术将普克尔盒定标到大口径，通过选择吸收系数小且通光方向薄的KD*P作为电光晶体以减少对激光的吸收，并在此基础上数值分析了等离子体普克尔盒的热效应。提出了端面传导冷却电光晶体的热管理方法，并进行优化设计。数值模拟结果显示，采用单块白宝石传导冷却2块KD*P，普克尔盒的驱动电压可降低至27 kV。在平均功率密度35 W/cm2的激光持续辐照下，端面传导冷却的40 mm×40 mm口径等离子体普克尔盒全口径内最大退偏损耗为0.22%，波前峰谷（PV）值为0.60 λ。

利用广义非线性薛定谔方程, 研究了聚焦激光通过透明介质时, 感应等离子体的位置、大小及其同激光参数的关系。计算发现：对于给定衍射长度的激光波包, 感应等离子体浓度最大值随入射激光功率的增加而趋于一恒定值, 感应等离子体区域的大小随着入射激光波包功率的增加而变长、变粗; 对于给定功率的激光波包, 感应等离子体浓度随着入射激光波包的衍射长度的增加而减少; 对于不同衍射长度的激光波包, 随着激光功率的增加, 感应等离子体向不同方向发展。计算得到的等离子体的位置和形状的变化同Gordienko等的实验结果非常吻合。该研究有助于理解感应等离子体在介质中的形成过程, 推动其在激光加工中的应用。

建立了平均功率激光辐照下，边界主动加热的电光晶体内3维各向异性热传输有限元模型及其热应力双折射模型，在此基础上分析了等离子体普克尔盒热效应。提出了边界主动加热控制电光晶体横向温度梯度热管理思想，并给出平均功率普克尔盒的光开关性能。结果表明：对于50 J/10 Hz、光束口径为50 mm×30 mm的激光系统，普克尔盒最大退偏损耗为3.58%，平均退偏损耗为0.9%，波前畸变为1.59λ。采用边界加热控制后，当加热功率密度为500 W/m2时，最大退偏损耗为0.17%、平均退偏损耗为0.05%、波前畸变为0.26λ，普克尔盒热效应显著降低，满足设计要求。

为了实现热容激光器远场可聚焦性的实时控制,采用角锥棱镜阵列作为准相位共轭反射镜对光束波前进行被动式实时补偿。详细研究了阵列角锥棱镜谐振腔的光学特性,通过优化谐振腔的构型,进行腔内滤波,抑制角锥之间的共轭模式,获得了在保持90％输出能力条件下的单模输出,中心主斑能量集中度提高了约4.5倍,远场可聚焦性与传统的平-凹腔比提高约10倍。结果表明,角锥棱镜阵列谐振腔具有热不灵敏的特性,可显著提高热容激光器的远场聚焦能力。