研制了一套微通道封装结构半导体激光器的低温测试表征系统, 实现了对高功率半导体激光器在－60℃~0℃低温范围内的输出功率、电光转换效率和光谱等关键参数稳定可靠的测试表征. 采用计算流体力学及数值传热学方法, 模拟了无水乙醇、三氯乙烯以及五氟丙烷三种载冷剂的散热性能. 模拟结果表明, 压降均为0.47 bar时, 采用无水乙醇作载冷剂的器件具有最低的热阻(热阻为0.73 K/W)和最好的温度均匀性(中心和边缘发光单元温差为1.45℃). 低温测试表征系统采用无水乙醇作为载冷剂, 最大可实现0.5 L/min的载冷液体流量, 最多能容纳5个半导体激光器巴条同时工作. 基于该低温测试表征系统, 对微通道封装结构976 nm半导体激光器巴条在6%占空比下的低温特性进行了研究. 测试结果表明, 载冷剂温度由0℃下降到－60℃, 半导体激光器的输出功率由388.37 W提升到458.37 W, 功率提升比为18.02%; 电光转换效率由60.99%提升到67.25%, 效率提升幅度为6.26%; 中心波长由969.68 nm蓝移到954.05 nm. 器件开启电压增加0.04 V, 阈值电流降低3.93 A, 串联电阻增加0.18 mΩ, 外微分量子效率提高11.84%. 分析表明, 阈值电流的减小及外微分量子效率的提高, 是促使半导体激光器在低温下功率、效率提升的主要因素. 研究表明, 采用液体微通道冷却的低温工作方式, 是实现半导体激光器高输出功率、高电光转换效率的一种有效手段.

对低温下885 nm抽运Nd∶YAG晶体946 nm准三能级激光性能进行了研究。将激光上、下能级的玻尔兹曼分布分数f1、f2作为温度的函数引入到激光速率方程中，定性分析了低温下小信号增益和激光阈值的变化规律。利用搭建的低温冷却系统研究了不同晶体温度下946 nm激光的输出性能，在210 K时获得了最大165 mW的激光输出，斜效率为36%，相比于常温下斜效率提高了71%。观察并分析了低温下1061 nm增益增强的现象，当温度低于190 K时，1061 nm激光增益显著提高，与946 nm激光形成竞争，导致946 nm激光输出降低。

采用无水乙醇低温冷却Yb:YAG片状放大器结构，验证温度对准三能级结构Yb:YAG晶体自吸收的影响。详细研究了放大器在不同条件下的放大性能。在光抽运能量为2.17 J时，单通双程的小信号增益在低温(213 K)下可达3倍；采用双通四程放大结构，小信号增益提高到9倍，获得了单脉冲能量60 mJ的信号光输出。

工作物质的热效应是半导体抽运固体激光器向更高输出功率发展的瓶颈之一。介绍了能够同时实现高平均功率和高光束质量输出的低温冷却Yb:YAG固体激光器。总结了这种激光器阈值低、光学畸变小、效率高、能定标放大等突出优点。详细分析了Yb:YAG晶体在低温下的各种热力学和光谱性质,这些优异特性使激光器具有较小的热畸变和高效率的激光输出。最后比较了3种不同冷却方法,综述了高平均功率低温冷却Yb:YAG激光的最新研究进展。

报道了一台高功率内腔倍频全固态Nd∶YAG绿光激光器，针对KTP晶体热效应和激光热稳定腔，采取了对KTP晶体进行低温冷却的优化措施，以便减少KTP晶体的热效应导致的相位失配，同时兼顾了Nd∶YAG棒的热致双折射效应和KTP晶体热透镜效应，设计了热稳定谐振腔；实验中采用80个20 W激光二极管阵列侧面抽运Nd∶YAG棒和Ⅱ类相位匹配KTP晶体(在27 ℃时相位匹配角为=23.6°；θ=90°，尺寸为7 mm×7 mm×10 mm)内腔倍频技术，谐振腔腔长为530 mm，KTP晶体的冷却温度为4.3 ℃，抽运电流为18.3 A时，实现平均功率达104 W、脉冲宽度为130 ns的532 nm激光输出；其重复频率为20.7 kHz。光光转换效率为10.2%。