研制的双波长短脉冲激光器采用“大模体积腔+渐变反射率输出镜”技术, 对二极管泵浦棒状激光介质产生的热透镜及热退偏进行补偿, 在500 Hz下实现了谐振腔短脉冲能量140 mJ, 脉宽约17.76 ns的1 064 nm激光输出, 20 min能量不稳定性RMS值小于0.3%, 激光光束质量M2≈1.6。该实验结果与采用MOPA技术路线——谐振腔+预放的方式技术指标相当, 但采用谐振腔的技术路线结构简单紧凑。采用水热法生长抗灰迹效应的GTR-KTP晶体作为倍频晶体, 相位匹配方式选择II类相位匹配, 倍频后532 nm激光单脉冲最高能量96 mJ, 最高倍频效率68.6%, 激光光束质量M2≈2.1。通过能量调节设计, 实现了线偏振态1 064 nm和532 nm激光功率连续可调共光轴输出。

研制了大能量高光束质量短脉冲激光器，系统采用主振荡＋预放大器＋主放大器2级主振荡功率放大器(MOPA)结构。采用双棒热效应补偿改善光束质量的措施，在重复频率400 Hz时实现单脉冲能量40 mJ、光束质量因子约为1.2的激光输出。激光器放大后实现单路脉冲能量712.5 mJ、脉宽12.4 ns的激光输出，采用球差补偿的方法提高了激光器的光束质量，在最大输出功率下实现了光束质量因子小于2.3，光光效率27.7%。偏振合束后，激光器输出能量大于1.4 J。

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。

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。