基于克尔透镜锁模机制，实现了掺钛蓝宝石飞秒激光振荡器的高平均功率和短脉宽输出。使用功率为16 W、波长为532 nm的连续光进行泵浦，使用高折射率的棱镜对进行色散补偿，同时使用狭缝辅助锁模，实验获得了平均输出功率为4.1 W、脉冲宽度为48 fs、重复频率为74.15 MHz的飞秒脉冲。相比当前同类型激光器参数（20 W泵浦光下输出功率为4 W，脉宽为130 fs，重复频率为76 MHz的飞秒激光），功率提升了2.5%，光-光转换效率提高了28%，脉宽缩短了63%，峰值功率提升了2.8倍。

自行研制出钛宝石晶体抽运的波长为532 nm的全固态高功率激光器,实现了高功率、高转换效率的可调谐钛宝石激光输出。使用3列重复频率为1 kHz的激光二极管阵列对称式抽运Nd∶YAG晶体,通过调Q及腔内倍频,获得功率为37.8 W、波长为532 nm的抽运光,每个激光二极管的抽运脉冲包络内包含5个调Q脉冲,单脉冲宽度为90 ns,重复频率为5 kHz。采用该绿光抽运钛宝石晶体,获得733.5~871.1 nm波长范围内的连续调谐激光,在771 nm处获得的输出功率最大,为8.26 W,光-光转换效率高达42%,脉冲宽度为14 ns,30 min内输出功率稳定性优于±4.4%。

钛宝石晶体是超强、超短脉冲激光振荡源广泛采用的工作物质,其口径大小和表面全频域波面误差决定了超短、超强激光系统的输出能量和光束质量,然而由于大口径钛宝石晶体光学均匀性差及硬度高的特点,其实现高精度透射波前和超光滑表面加工很具挑战性。针对这一问题,设计了线偏振干涉光源检测方法,解决了钛宝石晶体双折射导致的透射波前检测干涉条纹无法解析的问题;基于对钛宝石晶体材料光学均匀性的检测分析,发展了基于单轴机的透射波前快速抛光收敛工艺;通过正交实验和灰关联分析法,利用小磨头抛光工艺实现了钛宝石晶体高精度透射波前低频误差和超光滑表面高频误差的加工;为改善中频误差,发展了基于硅溶胶抛光液的小磨头中频误差光顺工艺。实验结果表明:多手段组合的加工工艺可以实现大口径钛宝石晶体全频域透射波前误差的有效控制,针对直径为120 mm的钛宝石样件,透射波前峰谷值可达0.283λ(λ=632.8 nm),中频功率谱密度无明显的特定频段调制误差,高频表面粗糙度Rq约为0.262 nm,可达到超光滑量级。

基于上海超强超短激光装置(SULF),选取各分系统关键节点进行波前测量,分析波前畸变的起源、演变及原因,并讨论了光学器件安装应力与钛宝石晶体质量对波前的影响。结果表明,激光波前畸变值随着大口径光学器件数量的增多而增大,光学镜片的面形加工误差、安装调试误差是影响钛宝石激光放大器中波前畸变的重要因素,对激光的聚焦性能有较大影响。对激光系统波前的测量有利于优化与控制整个系统的波前畸变,从而有助于提升光束质量和聚焦功率密度。

基于高反射膜层和Gires-Tournois(G-T)腔, 优化设计了一对低振荡高色散镜。该色散镜对的中心波长为800 nm, 能够在680~920 nm的带宽范围内提供-200 fs2的平坦的群延迟色散。基于双离子束溅射工艺, 利用Nb2O5和SiO2制备了低振荡高色散镜对, 并将其应用于800 nm钛宝石激光器系统。通过高色散镜对2次,100.8 fs 激光脉冲被压缩至19 fs。

研制了高稳定Nd∶YVO4皮秒激光振荡器, 并在15 W、808 nm激光泵浦下得到6 W的连续锁模皮秒激光输出, 光-光效率为40%.对该皮秒激光进行单通放大后得到14 W的基频光输出, 倍频后可以得到7 W的532 nm皮秒激光, 用作钛宝石振荡器的泵浦源.在4.5 W的皮秒532 nm激光泵浦下, 结合腔外压缩, 得到了脉宽为9.4 fs、平均功率为150 mW的脉冲序列输出.调节钛宝石振荡器的腔长使其与皮秒振荡器的腔长一致时, 可实现自触发克尔透镜锁模.实验结果表明皮秒激光泵浦可以有效地触发钛宝石激光器的自动锁模, 输出飞秒脉冲序列.

研制了一套能量输出稳定、光斑分布均匀、时域近方波形的四路钕玻璃抽运源系统。系统能够输出4×180 J的基频能量(波长为1053 nm)，4×80 J的倍频能量(波长为526.5 nm)。主要结构包括四部分：前端种子源、再生放大器、钕玻璃棒放链和KDP倍频晶体。利用偏振片实现了垂直偏振的两路基频光合束，经过第二类相位匹配KDP晶体倍频，获得了共线且同偏振的526.5 nm倍频光，实现了用于150 mm口径钛宝石放大器的结构紧凑的双脉冲抽运源。

采用自制的全固态高功率532 nm单频绿光激光器端面抽运布氏角切割的钛宝石晶体, 设计了紧凑、稳定、像散自补偿的嵌入式六镜环形谐振腔结构。通过调节抽运光与振荡光之间的最佳模式匹配关系, 实现了高光束质量、高转换效率的900 nm波段全固态单频可调谐钛宝石激光器。当抽运功率为15 W、输出镜在922 nm处定点透射率为4.5%时, 获得了平均输出功率大于2 W、波长可调谐范围为852~934 nm的宽带可调谐单频红外激光器, 3 h内的功率稳定性优于±0.7%, 光束质量因子M2<1.04。

在基于钛宝石啁啾脉冲放大(CPA)技术获得拍瓦级输出的激光装置中, 光谱发射截面的不同和饱和放大的影响会使放大光谱产生增益窄化和光谱红移。光谱红移效应普遍存在于激光放大过程中, 尤其在高能量饱和放大时更加严重。基于中国科学院上海光学精密机械研究所5.0 PW激光装置的实验结果, 针对Apollon-10 PW激光装置的光谱控制, 在理论上提出一种基于光-光同步放大的光谱整形技术, 用以抑制高能量放大过程中的光谱红移。该技术基于传统的放大模型, 通过在功放级引入短脉冲抽运, 利用抽运光和啁啾种子光同步放大的方式抑制了光谱的红移。该技术无需引入任何其他光学器件, 也不会引入附加损耗, 操作简单。数值模拟结果表明, 利用该技术可以有效地对放大的光谱进行整形, 抑制了光谱红移效应。

设计了一种基于LabVIEW控制的自动宽调谐的连续单频钛宝石激光器, 通过波长计测量激光器输出波长, 用LabVIEW程序读取该波长值并产生控制信号, 反馈控制腔内调谐元件双折射滤波片(BRF)的角度, 实现对激光器输出波长的调谐。此外, 基于波长计测量的系列波长值, 构建了BRF角度与激光器输出波长值的一一对应关系, 由LabVIEW程序根据不同的波长设定值控制BRF旋转不同的角度, 使钛宝石激光器不需要波长计也能实现自动调谐, 简化了激光器系统。对实验设计的钛宝石激光器进行自动调谐, 测量得到其调谐范围为110 nm。