高峰值功率以及高光束质量的激光光源在激光加工等领域具有重要的应用价值。利用重复频率为50 kHz、脉宽为3.9 ps、平均功率为10.9 mW的光纤种子光源, 经过两级固体双通放大, 最终得到平均功率为27.65 W, 峰值功率达到65 MW的激光输出。第一级放大器为端面抽运Nd∶YVO4放大级, 第二级放大器为侧面抽运Nd∶YAG放大级。通过利用球差补偿理论设计的双通放大结构以及调节放大级中的填充因子, 控制最终激光输出的光束质量, 得到输出激光的光束质量因子M2=1.30。

为了替代主控振荡功率放大结构中的多级光纤预放结构, 对小信号高增益的掠入射板条放大器进行了模拟和实验研究。利用板条内线性温度梯度引起的轴棱镜结构, 测量了板条晶体的热转换系数。结果表明:0.1 mW和1 W种子光提取时, 热转换系数分别为0.37和0.28;抽运光功率为55 W时, 两种情况下板条最大温升相差16 K;小信号提取时, 板条晶体内的温升是制约增益提高的主要因素;采用0.1 mW种子光注入且抽运光功率为50 W时, 可获得1.8 W的激光输出, 增益高达43 dB, 水平方向光束质量因子M2x=1.30, 垂直方向光束质量因子M2y=1.28。

采用基于半导体可饱和吸收镜的被动调Q微晶片激光器, 对三通掠入射Nd∶YVO4板条激光放大器进行了实验研究。理论研究了水平方向模式匹配比和掠入射角对板条激光放大器热致畸变的影响。实验验证了掠入射板条激光放大器水平方向最优模式匹配比为0.6, 且采用较小的掠入射角可以在保证高增益的同时产生较小的水平方向热致畸变。确定模式匹配比为0.6且三通掠入射角分别为3°、5°、7°时, 重复频率为100 kHz、平均功率为2 mW、光束质量因子M2=1.17的种子光源所产生的激光经过掠入射Nd∶YVO4板条三通放大后, 最终获得12.6 W的激光输出, 光-光提取效率达到28%, 脉冲峰值功率为1.1 MW, 脉冲能量为126 μJ, M2=1.4。

对连续波光参量振荡器(OPO)的最优转换效率进行了实验研究。选用氧化镁掺杂的周期性极化铌酸锂晶体作为光参量振荡器的非线性晶体，通过匹配抽运光功率和输出镜反射率控制腔内的信号光光强，实验验证了OPO腔内存在最优信号光光强，能够使光参量振荡器的转换效率最优化。在此基础上，在2.9 μm波段实现了8 W的闲频光输出，输出效率达到19.5%。在无外加线宽限制器件的情况下，输出线宽小于0.68 nm。

高增益和抽运光谱宽等因素会使光参量振荡器输出的参量光谱线大幅展宽。通常在腔内插入标准具、光栅等元件以控制谱宽，但会引入损耗，导致激光器输出阈值增大，转换效率和输出功率降低。报道了一种不使用任何谱宽压缩元件获得窄谱宽高功率中红外激光输出的方案。该方案将窄谱宽和高功率分离，分别获取。搭建了1.064 μm NdYAG主振荡功率放大结构的窄谱宽抽运源。通过调节光参量振荡器中PPMgLN晶体内的抽运光功率和光斑直径，实现晶体内增益强度的控制，从而有效控制中红外激光谱宽。在光参量振荡器中，当抽运光功率约为3倍阈值时，获得了0.7 W、谱宽小于1.12 nm的2.9 μm种子光,再通过两级光参量放大器后，最终获得6.27 W、光光转换效率15.7%的2.9 μm激光输出，谱宽基本保持不变。

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。

激光振荡器和激光放大器中激光晶体的热效应对光束特性有着重要的影响，不仅改变了光束的波前，还影响了光束的偏振态。基于激光晶体内的弹光效应，通过对光率体的主轴化，研究了自然双折射晶体中的热致双折射效应。结果表明，弹光效应对自然双折射晶体光率体的影响主要表现为横截面内椭圆主轴的偏转，主轴偏转角度小于0.01°。在激光振荡器和放大器中，一束线偏振激光经过具有热效应的自然双折射晶体之后退偏率小于1.8×10-8，这种条件下热致双折射效应的影响可以忽略，这与光学各项同性晶体完全不同。

根据米散射理论和激光传播方程，建立PM 2.5颗粒物浓度与后向散射光强的关系模型，并提出了基于电荷耦合器件(CCD)后向散射激光雷达的实时PM 2.5 颗粒物浓度的监测方法。设计了以532 nm 波长的激光器为光源、CCD 为接收器的后向散射激光雷达实验装置。根据获得的实时大气颗粒物后向散射图像，提取灰度值矩阵并分析了散射图像的光强分布；对比赛默飞世尔科技公司的PM 2.5监测仪(SHARP)的实验结果，拟合了PM 2.5颗粒物浓度与散射光强的5个关系式，拟合度均在0.95以上。这种成本较低、操作便利的实时PM 2.5颗粒物浓度监测装置的推广，有助于建立PM 2.5污染物的分布和运动模型并绘制污染地图，具有重要意义。

高峰值功率、高稳定性以及优越光束质量的激光光源是材料加工与处理的理想选择。利用重复频率为120 kHz 、脉宽为220 ps、平均功率为26 μW 的种子光源，经过光纤和固体组成的混合放大系统，最终得到平均功率为39.2 W 的激光输出，峰值功率达到1.5 MW。预放大器由两级光纤放大器组成，功率放大器为四级端面抽运的Nd:YVO4固体放大器，通过控制晶体掺杂浓度、晶体温度以及抽运光束直径，并且调节各个放大级中的填充因子，最终得到输出光束的光束质量因子为M2=1.3。