为了研究抽运光源光谱与增益介质吸收光谱对发光二极管（LED）带抽运激光器输出效率的影响, 进一步提高输出效率, 将光谱信息引入激光速率方程中, 建立了LED带抽运速率方程,采用该方法对LED带抽运Nd∶YAG激光器进行了理论分析和实验验证。结果表明, 利用红外LED对Nd∶YAG激光器进行侧面抽运, 当抽运能量为9.1mJ时, 取得了能量为607μJ的1064nm激光输出, 达到实验中最高的倾斜效率15.5%, 此时光转换效率为6.67%;速率方程的计算求解和实验的输出能量二者基本吻合。这一结果对研究提高LED带抽运激光器的输出效率是有帮助的。

为了实现除拉曼呼吸模外的次级拉曼模的有效受激拉曼转换,进一步获得更多相干波长激光,在被动调Q内腔式固体拉曼激光器速率方程的基础上,推导了有两束拉曼光输出时的被动调Q内腔式固体拉曼激光器的速率方程,并对方程进行了归一化处理。推导出了两束拉曼光的归一化峰值功率和脉冲能量的表达式。数值模拟观察了各归一化参数对两束拉曼光输出脉冲特性的影响,数值上获得了这些归一化参数的最佳值,以实现次级拉曼模的有效受激拉曼转换。同时,对相关实验参数进行了验证和优化,获得了最佳的实验结果。

针对紧凑型、高效的光泵太赫兹激光器(OPTL)技术, 设计了基于负曲率空芯光纤的长腔型光泵太赫兹光纤激光器(OPTFL)结构。该OPTFL以聚甲基戊烯(PMP)材料的空芯光纤为工作气室, 填充甲醇气体作为工作物质, 采用连续9P(36)支CO2激光器为泵浦源。从速率方程理论和空芯光纤的传输理论出发, 分析了影响OPTFL输出特性的因素, 并对负曲率空芯光纤内部微结构进行了探索, 通过调整内部结构, 能够实现较低损耗的单模太赫兹激光传输。结合设计的负曲率空芯光纤, 对长腔型OPTFL的可行性进行了分析, 理论计算表明, 在最佳工作条件下, 通过适当增加谐振腔长度, 太赫兹激光输出功率有望达到百毫瓦量级。研究结果为高功率、高性能的OPTFL提供了一种新的方法与理论指导。

利用主动调Q的自拉曼激光器,抑制主要频移拉曼模,使次级拉曼模受激拉曼散射输出新波长的拉曼光。首先,进行理论推导得到包含两个拉曼项的主动调Q归一化速率方程,由典型的实验装置参数和常用晶体参数对归一化拉曼增益系数、归一化损耗比、归一化初始反转粒子数进行取值。其次,通过数值模拟研究归一化参量对两束拉曼光脉冲的影响,找到可以实现次级拉曼模受激拉曼散射的参量取值范围。最后,利用实验参数计算得到的归一化变量值进行数值模拟,对结果进行分析并给出优化方案。

反射型量子点半导体光放大器(R-QDSOA)相较于传统RSOA具有皮秒级的载流子恢复速率和几十GHz的调制带宽, 将其应用在高速的波分复用无源光网络(WDM-PON)中具有巨大的潜力. 根据R-QDOSA的载流子速率方程和光场传输方程, 建立了R-QDSOA的仿真模型, 对其在增益饱和情况下的高通特性进行研究. 研究结果表明: 通过增加输入光功率、最大模式增益、有源区长度和减小注入电流, 可提高最大信号增益和3 dB截止频率; 通过合理的参数设置, R-QDSOA的3 dB截止频率可高达10GHz以上. 该研究在无色WDM-PON的再调制方面展现了巨大的优势, 并对提高R-QDSOA调制带宽具有理论指导意义.

反斯托克斯散射是频率上转换的四波混频效应, 通常反斯托克斯激光器的转换效率较低。因此, 通过理论优化指导实验对提高激光器的性能尤为重要。对平面波近似下的内腔式反斯托克斯激光器的速率方程进行归一化处理, 通过数值求解归一化速率方程组, 得到描述内腔式反斯托克斯激光器运行的一组普适理论曲线, 分析了复合归一化变量对内腔式反斯托克斯激光器性能的影响。并用实验数据对归一化理论进行了验证, 结果表明, 从归一化理论出发所估计出的内腔式反斯托克斯激光器的单脉冲能量、脉冲峰值功率和脉冲宽度与实际测量数据相符, 证明了所提的归一化速率方程组模型的正确性和可行性。

推导了LD泵浦主动调 Q腔内和频拉曼激光器的归一化速率方程组, 由实际的实验参数确定了方程组中七个综合参量的合理取值范围, 然后用数值模拟的方法得到各个综合参量的大小对于和频光的脉冲峰值功率、单脉冲能量和脉冲宽度的影响, 分析发现归一化和频因子F和归一化拉曼增益系数M之间能够相互匹配, 通过数值拟合得到F和M在不同归一化反转粒子数密度N下的匹配方程, 由此得出F和M的匹配值呈线性关系, 应用此线性方程可以指导实验中参数的优化, 使激光器获得更大的和频转换效率。最后利用拟合的结论对报道的实验进行计算和分析并给出优化措施。

运用非线性光学的和频理论推导出被动调Q腔内和频拉曼激光器速率方程理论中的和频项, 在被动调Q拉曼激光器速率方程的基础上, 推导被动调Q腔内和频拉曼激光器速率方程, 再将方程归一化, 得到八个综合参量。推导出和频脉冲峰值功率和单脉冲能量的归一化表达式。数值模拟观察各参量对和频脉冲峰值功率、单脉冲能量和脉冲宽度的影响。对各参量影响进行分析, 发现和频因子与归一化拉曼增益系数需要相互匹配才能实现高效率的和频光输出。同时, 比较了被动调Q腔内和频拉曼激光器与被动调Q腔内倍频拉曼激光器的数值模拟结果。

设计稳定可靠的THz激光器，缩小THz激光器的体积一直是THz领域的研究热点。基于速率方程组，建立了光泵THz激光器的理论模型。数值模拟和分析了不同工作温度、腔内压强、腔尺寸、泵浦光波动等因素对THz激光输出产生的影响。研究结果表明：泵浦光功率越高，THz激光输出对工作温度的变化越敏感，则越有必要建立稳定可靠的温度控制系统；在保持功率输出一定的前提下，通过适当提高THz激光腔内工作气体压强，可以缩小THz激光器的体积；泵浦光功率越低，THz激光的输出性能对泵浦光功率波动及频率漂移越敏感，此时，需要对泵浦光稳定性进行控制，更为关键的在于控制泵浦光的频率稳定性。