针对基于航空和航天平台的激光雷达对2 μm波段激光源的特殊需求,设计一种声光调Q、传导冷却(Tm, Ho)∶YLF晶体和波长为2051 nm的激光器。在4腔镜8字形环形谐振腔结构中,采用自主设计的侧面抽运楔形镜波导光学耦合系统实现均匀抽运(Tm, Ho)∶YLF晶体,从而实现高光束质量、百纳秒脉宽和2051 nm波长的调Q脉冲激光的稳定输出。当激光器的输出重复频率为1 Hz时,最高单脉冲能量达到141 mJ,脉冲宽度约为103 ns,此时光-光转换效率达到4.3%,实验测得光束质量因子在x和y方向上分别为1.22和1.08。

为了优化高功率板条激光器的光束质量, 采用提高单侧基模光束的尺寸来限制腔内部分高阶模式振荡的方法,针对半导体侧面抽运板条激光器, 测量了激光器在抽运状态下水平和竖直方向热焦距, 建立了热透镜等效模型, 并以平-平腔为参考, 设计了水平和竖直方向单侧基模尺寸均会扩大的平-凹腔。验证了对于激光介质截面尺寸固定的板条激光器, 扩大单侧基模尺寸可以限制高阶模式从而优化光束质量, 并提出了进一步优化板条激光器性能的研究方法。结果表明, 当平-凹腔的腔长为370mm时, 输出功率为59.9W, 水平方向M2因子由平-平腔的115.6显著优化至32.9, 竖直方向M2因子由116.4显著优化为60.9。该研究对于板条激光器获得高质量输出及相关应用有实际意义。

研究了一种VCSEL（垂直腔表面发射激光器）侧面抽运的全固态激光器, 报道了一种可以稳定工作的紧凑型Nd∶YAG激光器。该激光器采用VCSEL阵列进行侧面抽运, 利用微透镜阵列对VCSEL阵列进行准直, 并以柱透镜将抽运光整形为线形光束以获得足够高的功率密度, 以Cr4+∶YAG作为可饱和吸收体进行被动调Q, 最终得到重复频率为40 Hz、脉宽为4 ns及单脉冲能量为2.1 mJ的激光输出。测试结果表明, 该激光器在较大的温度范围内都可以实现稳定的激光输出, 同时具有结构紧凑、高抗失谐和高抗振动的特性, 可作为未来空间激光探测及其他特殊环境下应用的光源。

本文回顾了高功率全光纤侧面抽运耦合器的研究进展, 重点介绍了拉锥-熔合法制作的侧面抽运耦合器的基本原理、研究现状、面临挑战及解决方案。该方案可实现千瓦量级高抽运耦合效率高信号光通过率抽运/信号耦合器的制备, 是高功率全光纤侧面抽运耦合器的主流方案。结合已报道的理论和实验结果, 总结了该方案在制作工艺、损耗机理、性能提升等方面面临的挑战, 提出了将侧面抽运耦合器引入级联抽运光纤激光器的方案, 并将一种(2+1)×1侧面抽运耦合器成功应用于2.5 kW输出的级联抽运掺镱光纤激光器中。结果表明, 相比LD抽运, 在级联抽运中, 高亮度光纤激光作为抽运光源使耦合器在保证高抽运耦合效率的同时具有更高的功率承载能力。

高峰值功率以及高光束质量的激光光源在激光加工等领域具有重要的应用价值。利用重复频率为50 kHz、脉宽为3.9 ps、平均功率为10.9 mW的光纤种子光源, 经过两级固体双通放大, 最终得到平均功率为27.65 W, 峰值功率达到65 MW的激光输出。第一级放大器为端面抽运Nd∶YVO4放大级, 第二级放大器为侧面抽运Nd∶YAG放大级。通过利用球差补偿理论设计的双通放大结构以及调节放大级中的填充因子, 控制最终激光输出的光束质量, 得到输出激光的光束质量因子M2=1.30。

基于拉锥-熔合法研制了一种高功率全光纤(2+1)×1侧面抽运合束器。利用仿真软件建立理论模型，计算了合束器耦合效率，并制备出这种侧面抽运合束器。经测试，该合束器在抽运功率为600 W时，两抽运臂的耦合效率分别为98.2%和96.3%，信号光插入损耗约为0.11 dB。利用该合束器搭建了千瓦级光纤激光放大器,双向抽运光功率达到1.8 kW时,在1080 nm处获得的激光输出功率为1.426 kW。

报道了LD侧面抽运Nd∶YVO4 532 nm准连续绿光激光器。为了获得高功率的532 nm绿光输出，通过采用声光调Q技术和LD侧面抽运Nd∶YVO4技术来获得高功率线偏振的1064 nm激光输出。采用Ⅰ类相位匹配三硼酸锂(LBO)晶体腔内倍频，实现高功率532 nm激光输出。在电源输出电流为30 A、声光调Q的调制频率为20 kHz的工作条件下，获得平均输出功率为33 W的线偏振1064 nm基频光，通过LBO晶体倍频获得平均输出功率为23.5 W的532 nm绿光。1064 nm基频光到532 nm绿光的光-光转换效率达71.2%，脉冲宽度为44.3 ns，偏振比为254∶1。

针对固体激光增益模块紧凑化、简单化的设计需求，建立了激光二极管（LD）叠阵单侧抽运Nd∶YAG晶体棒的模型，并利用TracePro软件对陶瓷聚光腔内Nd∶YAG晶体棒抽运光的吸收情况进行了数值模拟。分析了聚光腔形状、晶体棒半径和 Nd3+掺杂浓度及其他影响因素对聚光效率和增益分布均匀性的影响。研究表明，聚光效率随聚光腔横截面积近似呈线性变化， Nd3+掺杂原子数分数为0.5%、半径为2 mm的Nd∶YAG晶体棒可以实现光斑半径约为1.0 mm的近基模振荡输出；晶体棒均匀抽运区域半径与U型聚光腔半径的比值约为0.5时，抽运光吸收较为均匀。LD叠阵单侧抽运Nd∶YAG晶体的抽运结构可以获得65%的聚光效率，增益分布均匀性优于0.65。

高功率光纤激光器是目前激光器研究发展的一个热点。抽运耦合功率将直接决定光纤激光器的输出功率。分析了光纤激光抽运耦合技术的研究现状，从端面抽运耦合和侧面抽运耦合两大基本结构出发，详细阐述了各种光纤激光抽运耦合器的技术方案和特点，并进行综合比较，针对现存问题以及今后的研究方向提出了建议。

研制了一台无水冷激光二极管（LD）侧面抽运高能量、高光束质量全固态Nd:YAG调Q激光器。激光器采用半导体制冷器（TEC）进行整体冷却，有利于激光器的小型化、便携化。实验使用的Nd:YAG晶体棒尺寸为φ7 mm×100 mm，掺Nd的原子数分数为1.1%，LD抽运的最大峰值功率为15 kW。在10 Hz重复频率下获得最大脉冲能量为350 mJ、脉冲宽度为9.7 ns、光-电转换效率为6.7%、能量稳定度小于5%的1064 nm激光输出，水平和垂直方向的光束质量M²分别为7.7和12.3。