近年来离轴正支共焦非稳腔被广泛用于大功率板条结构激光器, 由于其横向尺寸较大, Collins公式的计算精度需要验证。通过Fox-Li迭代, 对比了采用Collins公式和直接利用菲涅尔-基尔霍夫衍射公式计算的输出模式, 数值研究了几何放大率M和有效菲涅尔数Neq对Collins公式计算精度的影响并分析了原因。结果显示, 计算误差主要集中在光轴附近, 复振幅巨大的相位误差导致模值的大小、分布误差。另一方面, 计算精度会随M的增加, Neq的减小呈现跳变增加, 阶跃点Neq与M具有线性关系, 斜率约为133, 即Collins公式在菲涅尔数为266以内是有效的。

输出镜的热畸变会严重降低高功率气体激光器的输出光束质量和运行效率。针对腔镜受热均匀性的问题, 等价地数值研究了光场均匀性随着几何放大率和有效菲涅尔数两个参数的变化规律。研究结果显示, 光场均匀性随着有效菲涅尔数呈现周期性变化, 随着放大率绝对值的增加呈现准周期性的指数衰减。针对2 kW功率输出, 增益区间为1 000 mm×200 mm时, 分析得出输出半宽为80 mm或者85 mm获得最佳光场均匀性。

离轴正支共焦非稳腔被广泛的用于固体板条激光器和中小功率封离型板条CO2气体激光器中。针对正支共焦非稳腔输出镜失调时易出现功率严重下降的现象, 通过数值研究不同有效菲涅耳数的正支腔在平移失调的情况下, 过量噪声因子随着失调程度的变化规律, 分析了导致这一现象的原因。数值结论显示, 当有效菲涅尔数选在［s－0.20～s＋0.20］(s为整数)范围内, 泵浦激励效率较低, 且在微小失调时, 易造成激光功率的严重下降选取; 在［s＋0.65～s＋0.75］范围内, 最有利于激光的输出功率稳定性和激励效率; 在这种情况下, 微小的下移失调, 可能更有利于输出功率的小幅度提升。

为了解决条状负支离轴非稳腔输出线宽增宽的问题, 分析非稳腔的主要两个参量——有效菲涅耳数Neff和几何放大率M与输出模式的过量噪声因子K取值的函数关系,从负支腔的具体结构出发, 采用经典波动方程的理论唯像的将过量噪声因子表示成输出平面横模分布的泛函, 利用边界衍射波的方法将输出横模近似地解析表述成Neff和M的函数。利用该关系数值计算了K随Neff和M变化的情况。结果表明,K随Neff呈现准周期性变化, 在Neff≈s+0.85处（s为正整数）呈现周期性峰值, 输出线宽将被增宽到自然线宽的2000倍左右。该研究对分析非稳腔的输出损耗是有帮助的, 并为实际激光器的设计提供了参考。

针对离轴正支共焦非稳腔中最低的三阶横模特征值随着腔参数的变化规律问题，基于适用于非稳腔结构的特征向量法，计算了有效菲涅耳数在63附近的不同腔参数下各阶横模的特征值。数值模拟结果表明，在几何放大率大于1.08的条件下， 若有效菲涅尔数取在整数附近，1、2阶横模会周期性的发生模式交叉，所有基于Fox-Li迭代的算法很难得到自在现模。随着M的增加而增加，特征值的模值大小会随着几何放大率的增加而近似线性的减小，各阶模式的衍射损耗会线性增加，在非模式交叉的情况下，1、2阶横模特征值模值的差值会增加。

采用正支虚共焦腔型对非链式脉冲DF激光器进行非稳腔参数设计并开展实验研究，通过与平凹型稳定腔的对比，揭示了非稳腔在压缩激光远场发散角、提升光束质量方面的显著优势。选取能体现远场能量集中度以及实际光束与理想光束偏移程度的衍射极限倍数β为光束质量评价参数，实验中以86.5%环围能量定义光斑大小，并利用90-10刀口法测量光斑尺寸。通过对不同放大率及模体积的9组非稳腔实验结果的对比，得到了设计优化非稳腔结构参数的规律。综合输出能量、远场发散角、衍射极限倍数β三方面因素，得到了最佳非稳腔参数为放大率M=1.89，后反射镜口径D=40 mm，此时激光远场发散角（全角）为0.74 mrad，β=1.35，输出能量为1.86 J，峰值功率为16.4 MW。

为了获得高光束质量中红外激光抽运源，采用正分支共焦非稳腔设计Nd∶YAG脉冲固体激光器。在考虑晶体热效应情况下，对其腔型参量进行了数值模拟和试验验证，获得重复频率10Hz、脉冲宽度9.7ns、单脉冲能量260mJ、光束参量积3.5mm·mrad的激光输出。该激光经放大后抽运MgO∶LiNbO3晶体，实现波长3.85μm、脉冲宽度8ns、单脉冲能量104mJ的激光输出，光光转换效率为12.5%。结果表明，该抽运源光束质量满足高峰值功率中红外光参变振荡激光器使用要求，为光电对抗领域的应用奠定了技术基础。

为得到近场光束强度分布对激光束光束质量的影响程度, 利用快速傅里叶变换算法对实验中测得的高能化学激光器产生的光束实例进行了计算。本次数据采集所用的激光器腔型为正支共焦非稳腔, 最终输出的光束为空心的方环形。利用 F因子对激光束近场强度均匀性进行了评估, 并使用光束质量因子茁值对一系列远场光斑的光束质量进行了评价。由计算结果可以得出, 在本次实验样本中近场强度分布对激光束的光束质量茁值影响在 1.2～1.4之间。

利用快速傅里叶变换算法和薄层增益近似方法，在Matlab计算平台上，对大长宽比正支共焦有源谐振腔进行了数值模拟。得到了长宽比为3.6∶1的大功率化学激光器输出的近场模式强度和相位分布，以及理想聚焦下的远场光斑的强度分布。给出了由非均匀增益引起的强度分布不均对远场光斑的影响。得到的近场图像结果和实验结果基本一致，表明本方法可以对大长宽比矩形腔的输出模式进行仿真，从而为激光器的光束质量改善提供计算参考。

为实现高功率或高能激光器输出良好的光束质量和能量,分析了腔内像差扰动对非稳腔模式的影响,采用数值迭代法理论计算了腔内倾斜扰动对无源虚共焦非稳腔输出模式强度和相位分布的影响,并采用Zernike模式法对光束相位进行了像差拟合分解,得到了前35阶像差系数,通过进一步计算得到点扩散函数和环围能量曲线等,从而全面了解输出光束质量。结果表明,对小菲涅耳数虚共焦型非稳腔,腔内倾斜扰动不仅带来输出光强分布的不均匀性,且对相位分布有明显的影响,使相位中的一些高阶Zernike像差如A3,A7和A10等增大。计算结果对研究高能激光器腔内像差校正有一定参考意义。