阐述了一种激光二极管叠阵以zigzag方式侧面泵浦多边形Nd∶YAG薄片放大器的模拟研究, 建模对Nd∶YAG晶体内泵浦光的吸收情况进行了深入的数值模拟与分析, 研究了晶体的Nd3+掺杂浓度对泵浦光分布均匀性的影响。研究表明, 采用多个方向泵浦和zigzag泵浦方式易于实现介质内泵浦光的均匀分布, 在晶体的Nd3+离子掺杂浓度为0.25at.%时, 仿真得到的泵浦光吸收分布为平顶型, 分布的均匀性均为0.0505。对侧面泵浦多边形薄片激光放大器的进一步研究提供了参考。

研究了在多次回流下Au80Sn20焊层的微观演变机制及对半导体激光性能的影响, 为采用自动化精密校准机械设备, 多次回流实现激光叠阵自动化高精度封装提供技术支持。实验中, 采用扫描电镜对不同回流次数下Au80Sn20焊层金属化合物(IMC)的SEM形貌特征进行了观察, 并做EDS能谱组分分析。同时, 对多次回流过程中各阶段进行光电性能测试, 分析Au80Sn20焊料在多次回流焊接下的微观演变, 以及对激光光电性能的影响。实验结果表明：对于相同芯片, 同一封装形式, 同批次的器件, 在340 ℃, 30 s的回流焊接条件下, 多次回流加热2～6次, 即340 ℃间歇循环作用180 s以内, Au80Sn20焊层演变主要在于微观相形态的变化, 对激光光电性能影响不大; 在加热到8～10次时, 即340 ℃间歇循环作用300 s左右, Au80Sn20焊层与芯片边界处出现柯肯达尔空洞; 12～20次后, 即340 ℃间歇循环作用至600 s, 柯肯达尔空洞融合变大, 数量增多, 致使半导体激光光电性能明显下降。

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。

以巴条叠阵结构及封装方法为基础, 研制了一组高温硬焊料准连续半导体激光器巴条叠阵, 并研究了其相关的光电性能和寿命特征。结果表明, 所研制的器件在200 A的工作电流下, 重复频率250 Hz、脉宽200 μs时, 单巴峰值功率＞200 W, 50%光谱宽度＜3 nm, 电光转换效率＞50%, 寿命达到4.71×109 shots时的功率衰减＜15%; 当工作电流为150 A时, 预期寿命高达1.5×1010 shots。

采用光线追迹法详细分析线阵二极管激光器经微球面柱透镜快轴准直后的光强变化情况，利用快轴准直微球面柱透镜的球差可调整输出激光光强分布的特性，得出了快轴准直输出发散角约5°时光强分布具有较好的平顶形式。根据叠阵二极管激光器输出光的特点，设计了由25个二极管激光器组成的叠阵二极管激光器的光束整形输出系统，该系统由快轴准直微透镜、快轴耦合透镜和慢轴耦合透镜组成，把需要泵浦的激光介质薄片设计在快轴耦合透镜的焦点上，并且在慢轴耦合透镜的成像面附近，得到了7 mm×8 mm的泵浦光斑，光强不均匀性约10%，输出效率达到85%。

半导体激光器由于其光电转换效率高、亮度高、寿命长等特点，是用于抽运固体激光器的最佳选择。作为抽运源，要求半导体激光器具有很好的光学性能，主要包括出射光束的发散角和指向性。半导体激光器的发散角很大，要对其进行光束压缩整形并控制光束的指向性是一项很难的技术，对于多个半导体激光器组成的叠阵要保证其每一个巴条的光学性能良好更是不容易做到。从研究半导体激光器光束质量的控制着手，制作出一个带快轴准直的60个巴条的激光器叠阵，其峰值功率高达18 kW，叠阵整体快轴发散角小于0.2°(3.5 mrad)，每个巴条的指向性在±0.15°(±2.6 mrad)以内。

针对二极管激光器叠阵的高效散热冷却开展了研究, 设计了基于R134a制冷剂的相变冷却系统和以节流式微通道相变冷却方式工作的冷却器, 完成了脉冲功率3 kW叠阵的封装, 并分析了制冷剂在热沉进出口的温度对叠阵出光波长的影响。实验测试结果表明:在20%的高占空比下, 电流197 A时叠阵的输出功率达到3 030 W, 插座效率为39%, 光谱宽度小于3.8 nm, 冷却器内R134a的气化率约为50%。制冷剂R134a的流量为0.60 L/min, 仅为水系统的1/5, 大幅减小了冷却液流量和热管理系统的体积。