设计了一种新型高功率直接液冷固体薄片激光器,由数十至数百片透射薄片密集堆叠构成分布式增益系统,使特种激光冷却液在增益介质间的平板微流道内流动以实现薄片直接冷却,有效解决了传统高功率固体激光器中增益介质焊接于热沉引入的热致应力、焊接面变形等问题。对该激光器的腔内损耗、腔内像差等参数进行了优化设计。分析了影响光-光转换效率的关键因素,根据像差特点给出了光束质量控制方法。将20片薄片以特别角度密集堆叠构成增益模块,利用两个增益模块在稳腔和非稳腔中均实现了功率大于9 kW的准连续波(QCW)偏振激光输出,且这一实验室光源的体积小于0.4 m ³。

详细讨论了直接液体冷却薄片激光器的设计。包括增益模块中晶体和冷却液的选取, 以及流道结构的设计, 分析了增益模块中两类组合方式各自的优缺点。组合方式一中, 需要严格控制激光的入射角以及晶体的切割角, 给出了具体的计算和分析。组合方式二无需特别选取角度, 然而所选的冷却液的折射率要与晶体的折射率尽可能一致。在抽运方式选取方面, 分析了采用端面抽运和侧面抽运对激光器储能以及像差等方面的影响。最终, 理论分析了采用10片Nd∶YLF作为增益介质, 折射率匹配液作为冷却液, 在抽运功率为5 kW时, 激光器输出功率大于1 kW, 光-光效率大于20%, 理论分析和实验结果基本一致。

介绍了一种工作在准连续状态下的直接液体冷却的侧面抽运Nd∶YAG多薄片激光谐振腔, 装置中选用20片Nd∶YAG薄片作为增益介质, 由激光二极管阵列在其侧面进行抽运, 流动的硅氧烷溶液作为冷却液在其端面进行冷却, 振荡激光以布儒斯特角穿过多层薄片和冷却液实现增益。设计了层流冷却流场并通过数值模拟验证了其对来流不均匀性的耗散能力。根据之前报道的层流冷却能力测量实验建立数值模型, 模拟了流场的冷却效果, 实验结果证明了模型的置信性, 进而基于模型对激光器中薄片的热安全性进行了评估。在抽运能量为49.9 J时, 获得了15.7 J的最大脉冲能量输出, 对应光-光效率和斜率效率分别为31.4%和39.2%; 在抽运脉宽为250 μs, 重复频率为100 Hz, 平均抽运功率为5 kW时, 获得了1440 W的平均输出功率。

建立了包括非热稳定热力学模型、光学传输模型、能量转换模型及非稳腔模型的综合理论分析平台。理论分析得到以下主要结论：谐振腔长度变化对光束质量及光光效率的影响不大，对于给定的增益，激光最佳效率和光束质量分别对应不同的非稳腔放大率。提出非稳腔腔内相位板补偿介质静态畸变提高光束质量的技术措施，并开展实验验证，光束质量由补偿前的5.48倍衍射极限提升到补偿后的2.46倍，输出功率为12.1 kW。

利用Nd:GGG晶体开展了非稳腔的设计研究，通过对抽运系统的优化设计，使抽运均匀性提高到94%；建立了热力学计算模型，计算得到了激光介质的温度分布，实验验证了计算模型的可靠性；利用非稳腔理论分析模型优化了非稳腔的设计参数，实现了输出功率大于10 kW、平均光束质量为5.84倍衍射极限的激光输出。

为了研究Yb∶YAG薄片激光器的性能，采用16通抽运耦合、微通道冷却的方法，对薄片的优化厚度、热力学特性和激光性能等进行了理论分析，利用直径10mm、厚度为250μm、掺杂原子数分数为0.1的Yb∶YAG薄片进行了实验验证，抽运耦合系统实现了对薄片的16通抽运，在抽运功率为81.9W时，获得了平均功率为24.4W的激光输出，光光转换效率达到了29.8％。结果表明，多通抽运微通道冷却Yb∶YAG激光器可以获得较高的光光转换效率。

均匀抽运及均匀冷却是激光二极管抽运激光器减小热致光学畸变以实现高光束质量输出的核心技术难题。通过开展键合薄片激光均匀抽运及均匀冷却技术的研究，采用透镜压缩结合波导匀化的设计思想，实现了95%以上的抽运均匀性。同时通过对薄片介质冷却通道的优化设计，实现了优于96%的温度分布均匀性。原理验证实验结果表明薄片介质的波前畸变得到了有效控制，当平均抽运功率密度为230 W/cm2时，忽略离焦效应后介质的反射波前畸变均方根值约为0.35 μm。

建立了侧面抽运板条激光器的热力学模型,对千瓦级侧面抽运Nd:YAG板条激光器的温度和应力进行了数值模拟,并对结果进行了分析。在抽运平均功率3890 W时,侧面抽运Nd:YAG板条激光器获得了1012 W平均功率输出,斜率效率约31％,光光转换效率约26％。测量了板条侧面的温度,与数值模拟结果吻合较好。

开展了热容激光器光束质量控制研究，进行了耦合系统的优化设计，采用了透镜压缩结合波导匀化的设计思想，使抽运均匀性提高到90%的水平；进一步建立了有源非稳腔的理论分析模型，针对热容激光器的抽运条件开展了非稳腔的优化设计，实验结果表明实现了2.7倍衍射极限的千瓦级热容激光输出。

为了研究热容激光器冷却过程中激光介质的热力学特性,建立了激光介质热力学理论模型。该模型将介质表面的换热作为瞬态导热微分方程的热源,得到冷却过程中热传导模型。获得了激光介质在冷却过程中的瞬态温度场,进一步得到介质的热应力。利用数值模拟,得到了YAG介质和GGG介质在不同冷却条件下的冷却时间、温差和热应力。表面换热系数从0.1 W·cm-2·K-1增加到0.5 W·cm-2·K-1,冷却时间明显缩短;表面换热系数从0.5 W·cm-2·K-1增加到1 W·cm-2·K-1,冷却时间缩短不明显。对于相同体积、相同初始温度场的YAG介质和GGG介质,YAG介质的冷却时间少于GGG介质的冷却时间。在相同冷却条件下,YAG介质的温差小于GGG介质的温差,YAG介质的最大等效应力小于GGG介质的最大等效应力。