为了明确超快激光损伤典型成像探测器膜层结构的物理机制, 对飞秒脉冲激光辐照硅基多层膜的损伤特性, 以及各种损伤效应对应的激光能量通量范围和阈值条件进行研究。利用波长为800 nm、脉冲宽度为100 fs的脉冲激光和金相显微镜研究了硅基多层膜在不同激光能量通量和不同脉冲累积下的损伤效应。在能量通量为101~247 J/cm2的激光单脉冲辐照下, 激光作用区域可观察到氧化/无定形化、非热烧蚀和激光诱导等离子体烧蚀所引起的表面损伤, 其损伤效应与激光能量通量有明显联系, 激光作用区域尺寸随能量通量线性增大。在242 J/cm2到247 J/cm2激光能量通量范围内, 可在辐照表面观察到激光诱导压力导致的多层损伤, 损伤概率随激光能量通量的增加由1%增大到51%。在激光能量通量为101 J/cm2的连续多脉冲辐照下, 烧蚀区域尺寸几乎不变, 但烧蚀深度逐渐增加, 其多层损伤机制为表面损伤的累积效应。通过单脉冲损伤实验数据拟合计算确定, 飞秒激光诱导硅基多层膜表面损伤阈值为0543 J/cm2, 应力多层损伤阈值为216 J/cm2。低激光能量通量(≤101 J/cm2)多脉冲辐照累积作用同样可造成硅基多层膜深层损伤。

非链式脉冲DF激光器放电产生的基态DF分子对激发态DF分子的消激发作用是影响激光器稳定工作的重要原因。为解决这一问题, 分别采用3A和5A分子筛作为吸附剂进行实验研究。无分子筛时, 激光器重频运转1 000个脉冲后, 输出功率下降到初始功率的56%。分别使用3A、5A分子筛后, 激光器重频运转脉冲个数达到5 000和6 800时, 输出功率下降幅度仍然不超过20%, 大大提高了激光器的稳定工作时间。实验结果表明, 5A分子筛的吸附效率大于3A分子筛, 且两种分子筛不仅对基态DF分子产生吸附, 还对工作气体产生吸附, 可通过及时补充工作气体提高激光器的稳定性。

研制了一台放电激励重复频率运转的高功率非链式脉冲氟化氘(DF)激光器，采用倍压式储能电路及自引发体放电激励方式，在SF6 和D2 的混合气体中实现了体积为1.65 L 的均匀辉光放电；凭借大流量离心风机提供的8.5 m/s风速实现了电极间工作气体的快速更新；运用介孔碱性分子筛完成对放电产物的吸附处理。实验研究了工作气体参数及充电电压对激光器输出性能的影响，在总气压8.1 kPa，SF6 与D2 工作气体配比为8∶1，充电电压为43 kV 时，获得了3.46 J的单脉冲能量，电光转换效率为3.12%，脉冲宽度为135 ns。在50 Hz时，获得了平均功率为150 W 的激光输出，其脉冲幅值差优于±8%。实测远场发散角在水平方向和垂直方向分别为7.92 mrad和9.58 mrad，并采用DF激光谱线分析仪测试获得了22条激光谱线。结果显示，放电激励非链式脉冲DF激光器是获得高功率中红外激光的有效途径。

研究了工作气体分压比、总气压、充电电压及输出镜反射率对激光单脉冲能量、脉冲宽度及峰值功率的影响。实验结果表明：对于输出能量，工作介质SF6和D2的分压比为10∶1及输出镜反射率为30%时最佳，正常辉光放电状态下提高充电电压有利于增加单脉冲能量，且对于每个电压存在使能量最大的最佳气压值。激光脉冲宽度随工作气体分压比及总气压的增大不断变窄，但随充电电压和输出镜反射率的升高不断变宽。综合考虑输出能量和激光脉宽，激光峰值功率的总体变化趋势与能量一致，但二者取得最大值所对应的气体参数及输出镜参数存在差别。

以光纤耦合半导体激光器作为泵浦源，5 mm长的铯蒸气池作为激光增益介质,开展了端面泵浦铯蒸气激光器的模式匹配实验研究。分析了泵浦光聚焦光斑半径和聚焦位置对铯激光输出性能的影响。以激光器的工作斜效率和光光效率为指标对各模式匹配参数进行了优化，同时对激光器的阈值泵浦功率进行了研究。结果表明: 在一定的激光振荡模束腰下，存在最佳的泵浦光聚焦光斑半径使斜效率最大。此外，聚焦位置在蒸气池中央时有利于提高斜效率和光光效率。对阈值泵浦功率的研究显示，阈值泵浦功率随泵浦光聚焦光斑半径的减小而减小，而且当泵浦光聚焦于蒸气池前端时有利于降低阈值泵浦功率。基于以上研究，获得了一组最佳模式匹配参数，即泵浦光聚焦光斑半径为333 μm, 激光振荡模束腰为167 μm，泵浦光聚焦位置位于蒸气池中央。

为了提升非链式DF激光器输出能量与电光转换效率, 使用有限元分析法, 分别计算了Chang氏电极和粗糙阴极与光滑阳极组成的平板电极间的静电场分布。对于Chang氏电极, 引入了火花针尖端强电场, 计算了火花针紫外预电离放电的电场分布。对于平板电极, 计算了阴极表面毛刺尖端的静电场分布, 发现毛刺会在阴极表面形成一系列较高强度的电场区域而不会导致平板电极间电场均匀性恶化。进而对两种电极进行了脉冲放电实验, 获得了非链式脉冲DF激光器的放电特性和输出参数。实验结果表明: 均匀电场分布有利于提高非链式脉冲DF激光器的输出能量; 自引发DF激光器阴极毛刺尖端强电场有利于实现体放电; 自引发放电更适用于大体积均匀放电。

HF/DF激光器是中红外波段能提供最高能量输出的激光光源, 也是中红外波段应用非常广泛的相干光源。本文介绍了近几年国内外关于非链式HF/DF激光器的研究进展及其成果应用, 分析了非链式HF/DF激光器在应用方面的优缺点, 总结了实现非链式HF/DF激光输出的关键技术和存在的问题, 指出了该技术的未来发展方向。

为了探索氟化氘(DF)激光器级联效应及工作气体参数对激光光谱的影响，对自引发放电非链式脉冲DF 激光器进行了光谱特性测试。采用DF激光谱线分析仪和HgCdTe光电探测器测试了P3(7) →P2(8) →P1(9)光谱脉冲波形，发现P1(9)支谱线率先实现振荡输出，脉冲前沿延迟80~100 ns后P2(8)、P3(7) 两条谱线依次输出。在不同工作气体配比及总气压条件下测试了DF 激光输出谱线条数及各谱线间相对能量，在3.5~4.2 μm 光谱范围内测得了22 条激光跃迁谱线，且总气压为8.1 kPa，工作气体(SF6和D2)气压配比为6:1时，具有量子级联效应的P3(8) →P2(9) →P1(10)光谱串能量占总输出能量的25.9%。结果表明，多谱线DF 激光器能级间存在量子级联效应，通过优化工作气体参数可有效提升级联谱线输出时增益提取效率。