在激光腔型设计时, 为了使激光具有良好的输出性能, 需要找出谐振腔参量对激光输出性能的影响规律。结合V型折叠腔的图解分析法和多元件光学谐振腔的等价腔分析法, 将折叠腔近似等价后, 对等价的共轴球面空腔的稳定性和输出光束质量进行理论求解分析, 找到了V型折叠腔参量和激光输出性能的内在联系。通过计算给定的条件可知, 当折叠角θ=0.15π时, 总腔长L的理想取值范围为(70, 80)mm, 最佳取值为75 mm, 端面镜曲率半径R1、R2的允许变化范围为(60, 75)mm, 折叠镜曲率半径R3的最小取值为45 mm, 随着左(右)侧子腔g-参数积增大, 右(左)侧端面镜上的基模光斑半径和远场发散角增大。上述等价腔分析法和结论对激光腔型优化设计提供了重要的理论依据。

在利用电荷耦合器件CCD对激光光束质量测量的过程中, 通过对比不同的激光波长, 分析了CCD的光电响应非线性特性对光束质量M2因子评价的影响。由于对未进行线性标定的CCD所测得的四种不同波长的激光器的光束束宽值相对比较大, 这会对激光光束质量的测量精度带来影响, 因此提出了一种新的基于面阵型光电探测器的光电响应标定方法。搭建基于CCD测量法的激光光束质量测量系统, 建立高斯型激光光束的近远场传输模型, 对激光束在传输方向上不同位置处的焦散廓形进行多次采样, 利用统计学方法得到CCD的光电响应线性区间。仿真和实验结果表明: 利用CCD光电响应特性的标定结果对图像进行非线性灰度修正, 对比国际标准激光光束质量分析仪, 所测得的激光光束质量M2因子更加准确且相对误差降低了2.36%。提出的方法可有效提高激光光束质量M2因子的测量精度, 对于评价激光光束质量具有重要的应用价值。

设计并搭建了一套基于CCD测量激光光束质量M2的系统。采用CCD测量激光光束在不同位置处的光束直径, 通过非线性最小二乘法拟合测量数据获得光束腰斑直径和远场发散角, 再通过公式计算得到激光光束质量M2。利用本系统测量多组数据, 并与专业M2仪所测的数据进行对比, 二者一致性较好, 表明采用本实验装置测量激光光束质量M2可以有效地替代M2仪。

现有激光光束质量的测量方法无法同时兼顾测量速度与测量精度。为了达到兼顾速度与精度的目的, 提出了双狭缝扫描法。此方法不需要在光路中使用衰减器, 从而降低了数据分析复杂度。选用嵌入式技术完成对整个系统的控制与数据处理, 便于携带, 可实现对数据的实时处理;同时进行了理论分析和实验验证。结果表明, 该方法可实现快速同步测量两轴的功率分布, 动态范围可达到70dB, 扫描频率为2Hz~18Hz, 可用于分析连续或脉冲激光光束。该方法对兼顾测量速度与精度是有帮助的。

分析了基于CCD相机激光光束宽度测量过程中引入的噪声特性，并给出了有效抑制噪声的方法，说明了在光束宽度计算过程中尤其采用4σ算法时，积分区域选取的意义及正确的选取方法，总结了影响基于CCD相机激光光束宽度精确测量的因素。通过实验，进一步验证了用4σ算法计算激光光束宽度时，特别是计算小光斑光束宽度时，积分区域限制的重要性；提出了积分区域最佳选取值为2倍的光束宽度；得出了如无噪声影响，CCD空间分辨率对基于4σ算法的光束宽度结果影响很小的结论，即采用4σ算法虽然光束宽度内仅有十几个甚至几个像素，仍可得到准确的光束宽度值；定量给出了高频随机噪声对基于4σ算法的光束宽度测量重复性的影响，以及提高测量结果精确度的方法；分析了基底噪声对基于4σ算法的光束宽度测量结果的影响程度，提出了正确的背景图像扣除方法以减少基底噪声的影响。

在激光光束质量测量时，为了避免每次测量不同波长激光都要对聚焦透镜的焦平面位置进行标定，降低测量误差，研究和设计了覆盖紫外至近红外波段的超消色差物镜。基于波像差的理论，推导了超消色差物镜初始结构求解的方程组。应用光学设计软件Zemax设计了工作波段为350~1100 nm的宽光谱超消色差物镜，焦距为200 mm，入瞳直径为25 mm。给出了光学系统图、纵向像差曲线、焦移曲线及调制传递函数(MTF)曲线。设计结果表明，采用该方法设计的物镜，在0.707孔径处不同波长光线的球差曲线基本相交于一点，实现了超消色差；工作波段内的焦移仅为26.3 [μm]，基本固定了焦平面的位置；在截止频率范围内的MTF均接近衍射极限，满足了紫外至近红外波段激光光束质量的测量要求。

在激光器中，通常泵浦光呈不均匀分布，由此引起介质的增益也相应地出现不均匀分布，导致振荡光通过增益区时其分布发生变化。提出一种计算不均匀的泵浦光分布对于激光器内振荡光模式的影响程度，可以近似获得振荡光对原来场分布偏离的百分比的方法。在此基础上，对准连续运转的三向侧面泵浦激光器进行研究，分析不均匀泵浦光分布对振荡光场影响的规律。结果表明: 当泵浦功率增加或谐振腔内损耗增加时，振荡光通过增益区时对原来分布的偏离程度也同时增加，呈单调变化关系; 泵浦光不均匀分布对振荡光场的影响，与其沿振荡光轴向上的分布无关，仅仅取决于其在与振荡光垂直方向上的不均匀分布程度。通过计算还获得了此类效应的数量级，在2 000 W泵浦功率条件下，这种影响仅使振荡光偏离理想分布不到4%，而泵浦功率达到6 000 W时这种偏离则高达20%以上。

提出一种基于1维线衍射光栅的CCD相机光电响应特性标定方法，该方法利用衍射光栅对入射光束的分束特性，在远场焦平面内形成一系列衍射子光斑，采取有效的方法对多组衍射子光斑峰值测量数据进行融合，得到测量灰度值及通过理论计算得到的理论灰度值，拟合两组数据从而完成对CCD光电响应特性的标定。根据实验室现有的激光源与聚焦光学系统的参数，设计了一系列1维线光栅，完成某特性未知的红外CCD相机对中红外激光光电响应特性的标定。该标定方法具有光能利用率高的特点，多组测量数据的融合扩大了CCD标定的范围,并对标定结果在光斑真实形态重构中的应用进行了分析讨论。

基于自再现原理，利用菲涅耳基尔霍夫衍射积分方程，引入腔镜失调、激光介质上的增益分布以及光阑口径，采用本征矢量法分析了大口径平凹腔薄片激光器的本征模式，并计算了相应的光束质量因子M2。建立了千瓦级薄片激光系统和光纤扫描光斑诊断装置，开展了高功率激光输出特性研究。结果表明，在大口径高功率平凹腔中多个本征模式可同时起振，获得高功率激光输出，有较大的失调容限；输出功率随腔镜失调角度的增大而减小；失调容限随孔径光阑尺寸的减小而减小；失调引入了新的模式竞争，光束质量因子M2随腔镜失调角度的增大而变小。所得结果为高功率、高光束质量激光系统设计提供了有用参考。