针对掺钛蓝宝石固体激光器腔内脉冲压缩的问题，利用光学设计软件设计棱镜对超短脉冲压缩器，对脉冲群延迟色散进行补偿，以此压缩超短脉冲。利用光学设计软件建立棱镜对脉冲压缩器模型，利用计算群延迟色散的宏得出棱镜对群延迟色散与棱镜对间距之间存在线性关系，结合蓝宝石晶体的群延迟色散，优化获得与之匹配的压缩器结构参数。对脉冲中心波长群延迟色散进行补偿的同时，使用色散小的熔融石英玻璃使100 fs脉冲边带波长的群延迟色散减小至10 fs2。运用光学设计软件计算光学系统的群延迟色散具有直观、简单、计算量小的优点。

针对宽带超短脉冲的倍频,用光学设计软件设计了10 fs、0.8 μm 超短脉冲的倍频系统,该系统包括4个棱镜、2个聚焦透镜.宽带倍频系统要求脉冲中所有的波长成份在非线性晶体中均能实现相位匹配,据此选择操作数建立系统评价函数；以非线性光学倍频中的允许角度评价光学系统的质量；分别对基波和谐波的光路优化设计,获得的棱镜尺寸、棱镜间距和透镜焦距等参数能够使脉冲中的各频率成份以相位匹配方向入射到非线性晶体或无空间啁啾的合束.此外,编写宏对光学系统中群延色散进行控制,使基波在晶体中心无啁啾,以获得最佳倍频效果,谐波光路引入一定的群延色散补偿谐波中的啁啾,消除了谐波中的时间啁啾,获得高质量的谐波脉冲.

从麦克斯韦方程出发，推导了折射率线性调制介质内的平面波倍频耦合波方程，并给出了稳态耦合波方程的小信号解。由菲涅耳函数所描述的小信号解给出了不同于典型sinc函数的失谐函数结构。分析结果表明，折射率线性调制晶体相对于普通非线性晶体具有更大的匹配带宽，从而拥有更大的可接受温度和匹配角以及光谱带宽；然而这种带宽的增加是以牺牲整体的转换效率为代价的。值得关注的是通过选取特定的折射率调制参量可使失谐函数平坦化，这降低了倍频晶体对于由环境温度、机械结构等原因造成的工作点漂移的灵敏度。通过高转换效率下的数值模拟发现，失谐函数特性仍与低转换效率下的基本结论相符，只是在数值上略有不同且依赖于耦合强度。

在相位匹配和可接受掺杂比理论的基础上,针对CdGe(As1-xPx)2晶体,研究了掺杂比对频率转换的影响.依据Sellmeier方程得到了倍频和Ho3+:YLF与Cr:Er:YSGG激光器泵浦光学参量振荡的相位匹配调谐曲线,并给出了不同掺杂下的可接受掺杂比.结果表明:掺杂晶体可实现2～9 μm范围内非临界相位匹配的倍频和2～18 μm的参量光产生;随着掺杂比的增大,可接受掺杂比近似线性减小,并随着波长改变展现出了不同变化趋势.

简要分析了脉冲整形对于TEA CO2激光倍频实验的重要性和必要性。目前,获得短脉冲的激光脉冲整形技术中,等离子体开关结构简单,而且脉冲整形效果好,是获得高质量短脉冲比较好的方法。设计了利用激光触发气体击穿产生等离子体的方式进行脉冲整形的等离子体开关,并利用电磁波在等离子体中的反射和传播对其工作原理进行了说明。利用自行研制的等离子体开关进行了TEA CO2激光脉冲整形实验,将主峰半高全宽(FWHM) 60 ns,带有长达数百纳秒的氮气拖尾的TEA CO2激光脉冲斩去拖尾、整形,得到了FWHM 30 ns的窄脉冲。在双块AgGaSe2晶体(长分别为11.7 mm和19.5 mm)倍频实验光路图中加入等离子体开关所得倍频转换效率达12.9%,比起未加等离子体开关时最高转换效率2%有明显的增加。

实验上实现了TEA CO2激光在AgGaSe2非线性光学晶体中的倍频光产生。着重研究了TEA CO2激光的能量、脉冲重复频率以及基波的焦点位置对于倍频光输出的影响。实验中得到了倍频光的角度调谐曲线,将入射光聚焦在晶体的中心区域,获得最大倍频光输出能量为1.32 mJ。脉冲能量转换效率为2.4%,主脉冲的最大转换效率为4%。还分析了脉冲重复频率的变化(<10 Hz)对倍频转换效率的影响。实验结果发现抑制倍频转换效率的主要因素为晶体的光学质量、激光脉冲低功率密度的拖尾以及激光脉冲的不稳定。特别由于脉冲附带长的拖尾加剧了热透镜效应,使得脉冲重复频率的增加引起转换效率的降低。

利用国产尺寸为7 mm×8 mm×12 mm的AgGaSe2晶体,实现了可调谐TEA CO2 激光的倍频,得到了CO2激光10.6 μm和9.6 μm谱带的21条谱线的倍频光。最大的倍频输出能量达到1.32 mJ[10P(16)]。在10P(18) 谱线处获得的最大能量转换效率为4%。

利用国产的、尺寸为7 mm×8 mm×12 mm的AgGaSe2晶体,实现了可调谐TEA CO2激光的二次谐波产生,得到了CO2激光10.6μm和9.6 μm谱带的12条谱线的二次谐波.最大的二次谐波输出能量达到1.32 mJ[10P(16)谱线].在10P(18)谱线处获得的最大能量转换效率为4%.

综述了激光倍频技术的发展,并对TEA CO2激光器倍频技术进行了较为详细的分析。给出了3~5μm激光的应用领域。