稀土离子具有独特的阶梯状能级，在上转换发光领域备受瞩目。稀土掺杂紫外上转换材料是实现紫外短波长紧凑激光器的有效途径。但在稀土离子的紫外上转换过程中，会产生大量非必要的能量损耗，导致紫外高阶上转换效率极低。因此，大功率的紫外上转换激光难以获得，紫外上转换激光器的实际应用受到限制。通过降低基质声子能、调控基质微观结构、改进泵浦方式、调整激光谐振腔形貌等方式，可以有效调控紫外上转换过程中的能量传递，提高紫外上转换激光的效率。本文综述了上转换发光的基本原理、紫外上转换发光材料的构成、增强紫外上转换发光的策略，以及紫外上转换激光器研究的最新进展。

直角内圆锥面全反射镜激光谐振腔由于其特殊的结构，从而具有较好的抗失调特性。选择高功率横流CO2激光器作为数值模拟的模型，采用Fox-Li迭代法对此种谐振腔的输出光束模式进行了分析。当光束在直角内圆锥面全反射镜处发生翻转时，进行了简化计算。由于直角内圆锥面全反射镜会干扰光束的偏振态，所以采用一种矢量分析的方式对输出光束的模式进行了分析。研究发现当选取P光和S光的反射率相差超过3%时，此种谐振腔可得到偏振纯度为1的径向偏振光或角向偏振光。

针对由平面或球面反射镜构成的传统激光谐振腔调节要求精度高、允许转动失调角度小的缺点,将Luneburg lens与球形全反射面组合作为光束回射器件,分别对高斯光束在不同入射角,且中心轴线与Luneburg lens光轴不同距离情况下回射器的反射特性进行数值模拟。结果表明:即使在Luneburg lens线度小至光波波长的数十分之一情况下,该回射器对分布在角向、横向上较大范围内的入射高斯光束仍均能实现方向性好、反射能量稳定的逆向反射。因此,将其作为激光器的光学谐振腔镜理论上可行,且具有调节要求低,腔长横向、角向移动范围大等优点,且该回射器的尺度小,易于实现谐振腔镜的小型化。

激光因相干性好、方向性好、单色性好等优点得到了广泛的应用,但是,激光的高相干性会带来严重的散斑现象,导致其在显示和成像领域的应用受到限制。通过对激光腔的几何形状和激光振荡反馈机制的创新,对激光的模式数量、模场的空间分布调控发展而来的低相干性激光器正日益受到重视。本综述详述了五种低相干性激光,包括随机激光、简并腔激光、混沌腔半导体激光、近共心腔半导体激光、哑铃形腔半导体激光的发展历史、产生机理及现存的问题,为低相干性激光器的发展方向和应用提供决策参考。

为精确测量氮气中痕量甲烷(CH4)浓度, 设计并搭建了基于三角环形腔的连续波光腔衰荡光谱(CW-CRDS)测量装置。 衰荡腔为自主加工设计, 由一片曲率半径为1 m直径为25 mm的凹面镜和两片直径为12.7 mm的平面镜围成, 腔内光路总长为410 mm, 腔体材料为殷钢。 首先, 对系统的基线损耗进行了测量, 随后利用氮气作为混合气配置了五种不同浓度的CH4与N2的混合气, 利用CH4 在1 653.7 nm的吸收峰(CH42ν3带R5支)对气体进行检测, 并根据吸收谱线特性, 利用洛伦兹线型函数通过最小二乘法拟合出衰荡时间常数τ并计算CH4浓度, 所搭建装置对甲烷浓度(体积分数)的检测灵敏度可达54×10-9(五点四亿分之一)。 最后对浓度为510×10-9(五千一百万分之一)的CH4在6 046.7~6 047.2 cm-1范围内的吸收光谱进行了测量, 并将测得数据依照腔自由光谱范围(FSR)分组后分别拟合出τ和吸收系数, 将所得CH4吸收系数与数据库中数据相比, 其最大误差低于1.2×10-9 cm-1, 最高精度达8.8×10-11 cm-1。

矢量偏振光束的发展对偏振敏感谐振腔的模式计算提出了新的要求,基于Fox-Li迭代法和琼斯矢量理论,提出了用于偏振敏感谐振腔的矢量Fox-Li迭代法。该方法可以计算偏振敏感谐振腔内的矢量偏振模式,包括角向偏振TE_01*模和径向偏振TM_01*模。通过Matlab编程对球面偏振敏感谐振腔内的矢量偏振模式进行数值计算,计算结果与理论一致,证明了该方法的正确性。然后基于轴快流(FAF)CO₂激光器平台,采用组合轴锥镜作为谐振腔的尾镜,得到了2.17 kW的角向偏振模式输出,与矢量Fox-Li迭代法仿真结果吻合,实验证明了该方法的有效性和准确性。矢量Fox-Li迭代法对于偏振敏感谐振腔的分析和设计具有重要的指导意义。

非稳腔在大菲涅耳数条件下可实现光的高效提取效率, 也可保持高光束质量。设计了一款用于Nd∶YAG板条增益介质的传导冷却端面抽运结构的望远镜型离轴介稳-非稳混合谐振腔, 输出耦合镜为变反镜。该混合腔的宽度方向(板条增益介质的x方向)为非稳腔, 厚度方向(板条增益介质的y方向)为介稳腔。通过理论分析得出, 当抽运功率为10 kW时, 该介稳-非稳混合腔结构的输出功率为4428.7 W, 光-光转换效率为0.4429。

针对环形激光谐振腔的光路变动的问题，基于SolidWorks 建立了一个两平面镜和两凹面镜构成的四镜8 字形稳定环形激光谐振腔模型。使用该方法分析了腔镜水平移动、垂直移动和绕光轴旋转对光路的影响，可以简单直观地观察到腔内光路的变化，并获得调节容差，模拟过程更加接近环形腔实际调节过程。当增大晶体和腔镜M1 之间的距离L 时，可以提高腔镜M2 的水平位移容差，但角度容差有所降低，垂直容差变化不大。水平位移容差和角度容差有较强的耦合关系，腔镜水平方向的微动往往可以通过改变角度来补偿。所得到的结果对于腔设计、腔调节以及提高腔的精度具有重要的指导作用，同时可以推广到对三角形腔、正方形腔以及非平面环形腔等谐振腔的容差分析当中。

提出了一种新型激光谐振腔，即“非稳腔稳腔耦合谐振腔”，其中心部分呈现出非稳定谐振腔结构，边缘部分呈现出稳定谐振腔结构。用Fox-Li的方法，模拟计算非稳腔稳腔耦合谐振腔的基横模。优化出腔长1.2 m的密封CO2激光器的谐振腔参数。数值分析结果表明，与稳定谐振腔相比较，其基横模的输出功率可提高约2倍，而聚焦中心光斑输出功率可增加约1.5倍。最后设计了另一种用具有球差的球面透镜与球面反射镜实现的非稳腔稳腔耦合谐振腔。