激光振荡器内光束质量的演变机理对获得高光束质量激光至关重要。综合考虑激光晶体的热效应和增益导引效应，建立了激光振荡器的理论模型，仿真计算并实验验证了激光振荡器内光束质量的演变。基于理论模型，研究了光束质量演变的机理。指出带负球差激光通过激光晶体时，其负球差可以被晶体正球差补偿，从而改善光束质量。这一机理对激光振荡器和放大器实现高光束质量激光输出具有重要意义。

采用激光二极管端面抽运的双纵模Nd:YVO4微片激光器作为种子光源，双端面抽运的Nd:YVO4行波放大器作为功率放大器，获得了大频差、高功率双频激光信号输出。分析了放大过程中光谱匹配对双频激光输出特性的影响。结果表明，随种子光入射功率从小到大变化，放大倍率呈起伏减小的趋势；受到放大器增益带宽的限制，放大后双频激光频差小于种子光频差。当种子源和放大器的抽运电流分别为14.5 A和40.0 A时，最终获得了功率为2.38 W，频差为47.7 GHz的双频激光信号输出。

由于光学元件的衍射效应, 常规光学显微术的分辨率被限制在半波长左右, 无法满足对于亚百纳米尺度的样品进行探测的需求。受激发射损耗显微术(STED)通过引入一束损耗光以受激发射的方式减小有效荧光的发光面积, 可以实现超衍射极限的空间分辨率。自提出以来, STED显微术经过了多方面的改进和发展, 已被成功地应用于生物医学、材料学等领域, 对样品进行多功能超分辨成像。本文详细阐述了STED的机理及其中的关键技术, 综述了STED的发展历程及最新进展, 并介绍了其具体应用。

对基于宽场随机荧光漂白的超分辨显微方法进行了研究。通过对获取的荧光漂白图像进行差分处理，获得大量稀疏的荧光分子图像，相应的荧光分子被一一区分并通过点扩散函数(PSF)数字化的方法计算出中心位置，从而重构超分辨显微图像。并对标记Alex 488普通荧光染料的人胚肾细胞进行了成像，和普通荧光显微镜相比，分辨率提升了约40%，表明该方法适用于常规荧光染料，并能突破衍射极限达到超分辨效果。该方法克服了常用的基于单分子精确定位技术需要对荧光分子进行反复地激活猝灭，并难以适用于普通荧光染料的缺点。

基于激光与生物组织作用时产生的光致破裂效应, 利用脉冲激光直接聚焦于孕囊内的胚胎内部, 激光产生的光致破裂效应对胚胎心脏造成损伤, 造成胚胎的快速死亡, 初步证明利用激光进行减胎手术有望成为一种新方法。采用输出波长1 064 nm、脉宽8 ns、单脉冲能量60~96 mJ可调的脉冲激光作用于牛肌肉组织样品, 并用光学相干层析成像(OCT)系统测量实验样品的损伤直径和损伤深度, 建立了不同的激光参数与被作用样品的损伤直径及损伤深度之间的关系。得出结论: 样品的损伤深度和损伤直径与激光的脉冲能量成正相关关系, 而与激光的脉冲频率成负相关关系。这对于激光应用于减胎手术时参数的优化和精确控制起到一定的指导作用。

针对近年来多胎妊娠发生率的提高，以及目前普遍实施的减胎手术存在一定的弊端，提出了一种新型安全可靠，简单快捷的减胎手术的方法。即利用1064 nm的脉冲激光作用于胚胎组织产生的光致破裂效应造成胚胎瞬间死亡，从而达到减胎的目的。实验中利用牛肌肉组织及小鼠作为实验对象，采用脉宽为8 ns、脉冲能量为60~100 mJ、重复频率为1~10 Hz可调的1064 nm激光脉冲作用于样品，可造成直径约1 mm、深度约4 mm的孔状损伤，证实了该方法用于减胎手术的可行性。

在增益导引的作用下，未采用任何补偿措施，主振荡功率放大（MOPA）激光器的输出光光束质量得到改善。综合考虑热效应、增益导引效应、增益饱和效应后，在MOPA系统中建立了一种新的激光放大模型，并进行了数值计算，模拟结果与已报道的实验结果符合较好。另外，计算结果表明填充因子和抽运光功率是影响输出激光光束质量的重要因素，而热效应与增益导引效应是其深层原因，这对进一步利用增益导引效应改善光束质量具有指导意义。

在1000 Hz高重复频率条件下，对单一大口径锥度光纤相位共轭镜(PCM)进行了详细的实验研究。对采用普通红宝石切割刀和进口LDC-200光纤切割刀切割的锥度光纤受激布里渊散射(SBS)反射率进行了比较，结果表明光纤表面切割好坏对反射率提升具有重要的影响。在两种抽运脉宽24 ns和15 ns下，对均由LDC-200光纤切割刀切割的锥度光纤SBS反射率进行了比较，在同样注入近40 mJ时，分别得到最高70%和50%的反射率。对抽运脉冲宽度为15 ns时，应用该锥度光纤PCM的双通输出激光能量、脉冲宽度、光束质量变化情况进行了测量，得到42 mJ，脉宽约1.5 ns的双通输出，光束质量得到明显改善。

介绍了激光二极管(LD)侧面抽运Nd:YAG晶体腔外四倍频获得平均功率为1.85 W的266 nm全固态紫外激光器。采用双棒串接结构, 对热致双折射作用引起的退偏效应进行补偿, 获得高光束质量、高稳定性的线偏振1064 nm基频光输出。分别采用Ⅰ类非临界相位匹配的三硼酸锂(LBO), Ⅰ类相位匹配的β相偏硼酸钡(BBO)作为腔外倍频和四倍频晶体, 获得了平均功率1.85 W, 脉冲重复频率10 kHz和转换效率达13.3%的紫外激光输出。同时研究了BBO晶体自热效应对四倍频相位匹配角的影响, 提出了可以通过调整BBO晶体的角度来减小自热效应的影响。

激光二极管(LD)端面抽运固体激光器的热效应是影响激光输出特性和系统综合性能的重要因素，因此准确的热透镜焦距测量是谐振腔设计的重要前提。从热传导方程入手，计算了LD端面抽运晶体的温度梯度分布，求出探测光束经过晶体后的相位差分布，通过傅里叶变换得到探测光的夫琅禾费衍射图样。基于上述理论模型，提出了一种利用探测光的夫琅禾费衍射图样测量热透镜焦距的新方法，可实时在线测量。由夫琅禾费衍射图样求出光程差，进而由光程差可求出激光晶体的热透镜焦距。实验测量了激光晶体的热透镜焦距，并与非稳腔法实验数据进行对比，证明了这种方法的可行性。