采用双声光调制器光路快速偏转技术与自准直光栅法实现CO2激光全波段快调谐同光路输出。首先对声光调制器特性进行实验研究, 结果显示: 声光调制器偏转角度约为44°, 与运用布拉格方程计算结果相符; 且激光单次通过声光调制器移频量为4068 MHz,与声光驱动器射频频率一致, 将激光往返多次经声光调制器的移频量叠加。进而, 开展基于声光调制器的CO2激光快调谐实验研究, 运用两个对称布置的同驱动频率声光调制器补偿声光移频, 实现偏转光路振荡输出, 运用光栅法在直线光路中实现激光全波段可调谐输出。最终, 在声光调制器时序控制下, 实现双波长激光快调谐同光路输出, 选定激光波长的切换时间约为1 ms, 脉宽小于300 ns, 且双波长切换速度不受CO2激光跃迁谱带的限制。

蓝紫激光和中红外激光在基础研究和**工程中有重要的应用前景。单光子吸收的碱金属蒸气激光器具有量子效率高、受激发射截面大和热管理性能好等优点, 近些年来已成为激光领域中研究热点之一, 目前已实现kW量级的输出。双光子吸收的碱金属蒸气激光器可实现蓝紫激光和中红外激光级联输出的特性, 也引起越来越多的关注。本文从碱金属原子密度、泵浦光功率、偏振和频率失调量以及调控激光等几种影响因素出发, 综述了双光子吸收碱金属蒸气激光的研究进展, 在此基础上分析了影响激光输出特性的原因, 最后对双光子吸收碱金属蒸气激光器的发展趋势进行了展望。

理论分析了室温条件下掺铁硒化锌（Fe2+∶ZnSe）激光横向寄生振荡特性，结果显示通过减小抽运光斑尺寸可有效提升寄生振荡反转粒子数阈值，从而抑制Fe2+∶ZnSe激光横向寄生振荡。以非链式脉冲氟化氢（HF）激光器为抽运源，搭建了Fe2+∶ZnSe激光器实验装置，通过插入不同孔径的光阑，实验研究了不同抽运光斑尺寸下的Fe2+∶ZnSe激光输出特性。实验结果表明，对于端面尺寸为20 mm×20 mm的Fe2+∶ZnSe激光晶体，当抽运光斑尺寸≤9.2 mm时，横向寄生振荡现象可得到有效抑制，与理论分析结果相符。室温条件下，所获得的最高Fe2+∶ZnSe激光脉冲能量为136 mJ，斜效率为33.2%，相对于抽运激光能量的光-光转换效率为26.5%。

采用旋转光栅法实现了声光调Q CO2激光器可调谐脉冲激光输出。理论分析了CO2激光波长调谐特性, 发现调节各支谱线腔内损耗是实现激光波长调谐的有效方法。进而理论计算了特定设计波长闪耀光栅的衍射效率与激光波长间的关系, 结果显示光栅调谐的激光谱线自准直角与光栅闪耀角一致时具有最高的衍射效率。采用闪耀角分别为31.97°(闪耀波长10.59 μm)和28.71°（闪耀波长9.60 μm）的光栅实验研究了声光调Q CO2激光器波长调谐特性, 分别获得了65条和75条激光谱线。实验结果显示: 光栅设计闪耀波长处于弱激光增益分支时可获得更多条激光谱线, 该实验与理论计算结果相符。在脉冲重复频率为1 kHz时, 获得10.59 μm激光脉冲宽度为160 ns, 平均功率4.2 W, 脉冲峰值功率26.25 kW, 且稳定性良好。

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。

基于描述光束传播的菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论, 运用快速傅里叶变换算法仿真了非稳腔DF激光的三维近场、远场光强分布。仿真结果显示: 非稳腔的近场输出光斑形状为中心对称的空心圆环, 远场输出光斑为具有中心亮斑的多级衍射环; 大M数将导致近场光斑能量集中, 大的Neq值将引起远场发散角变大。运用该算法研究了腔镜倾斜对近场光强分布的影响: 腔镜倾斜使光束近场分布变差, 倾斜角越大, 光强的非对称分布越明显。开展了非链式DF激光器非稳腔实验研究, 实验得到的近场、远场光强分布及腔镜失调下的近场光斑变化情况与数值模拟结果一致, 实验测量的远场发散角为1.2 mrad。文中的仿真结果可为DF激光器腔镜失调诊断及调节提供依据。

3～5 μm中红外激光器在环境污染检测、医疗、工业等领域具有重要的应用价值。本文总结了基于ZnGeP2、MgO∶PPLN晶体的光参量振荡器(OPO)的国内外发展现状, 分析了其各自不同结构系统设计的优势和发展前景。指出高功率、小体积、轻重量的光学参量振荡器是未来重要发展方向, 发展的技术核心是生长更大尺寸的中红外激光晶体以及研制更高性能指标的OPO泵浦源, 并对中红外激光器的发展趋势进行了展望。

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。

为满足13.5 nm极紫外光刻(EUVL)等领域的应用需求，研制了高重复频率、高稳定性的声光调Q CO₂激光器。首先，对声光Q开关的工作原理进行了分析，并实验研究了调制信号电压与衍射效率的关系。接着，研究了调制信号占空比对脉冲波形的影响，通过选择适当的占空比消去了脉冲拖尾。然后，对不同重复频率下的脉冲宽度、功率和脉冲幅值稳定性进行了测量和分析。最后，对激光器的光束指向稳定性进行了测量。实验结果表明：该激光器实现了重复频率1~100 kHz连续可调的脉冲输出，在重复频率1 kHz时，获得最小脉冲宽度252 ns和最大峰值功率7 579 W的激光脉冲输出。通过设计以殷钢管为主体的支撑架，使得激光器的脉冲幅值不稳定性小于3%，光束指向稳定性为46.6 μrad。该声光调Q CO₂激光器可作为高性能种子源在EUVL等领域中得到应用。