以Nd∶YAG、Cr∶Nd∶YAG和Ce∶Nd∶YAG三种激光材料为研究对象，采取以空间应用和地面应用为导向的两种太阳光谱模型，计算了太阳辐射光谱与材料吸收光谱之间的重叠效率。将激光材料的吸收系数引入重叠效率，分析了经吸收系数修正后，激光材料的太阳光谱匹配效率随吸收长度的变化关系。当接近光谱匹配效率极限值时，地面太阳光谱模型下Nd∶YAG、Cr∶Nd∶YAG和Ce∶Nd∶YAG所需要的吸收长度分别为6.5 cm、4.4 cm和3.7 cm，空间太阳光谱模型下所需要的吸收长度分别为7.3 cm、4.3 cm和3.8 cm，所研究的吸收长度为激光材料的长度参数设计提供了可供参考的最大值。同时Ce∶Nd∶YAG晶体计算出的长度最短，预计泵浦光在该材料中传输时引入的散射损耗将最小，因此以Ce∶Nd∶YAG晶体作为激光材料，有望进一步提高和改善太阳光泵浦激光器的输出性能。

太阳光泵浦激光器可将太阳光直接转化为激光, 在空间太阳能发电站、深海等领域有着极大的应用前景, 而Cr,Nd∶YAG是一种很有潜力的太阳光泵浦激光介质。 本文以高纯Y2O3、α-Al2O3、Nd2O3、Cr2O3粉体作为原料, 采用固相反应法结合真空烧结技术制备了高光学质量的0.1%Cr,1.0%Nd∶YAG透明陶瓷, 并研究了其光谱特性和激光参数。根据太阳辐照光谱和Cr,Nd∶YAG陶瓷的吸收和发射光谱, 计算了不同条件下Cr,Nd∶YAG陶瓷激光器的泵浦率、阈值太阳聚光比、有效发射截面、饱和光强和阈值输入功率等激光参数。研究发现0.1%Cr,1.0%Nd∶YAG陶瓷(厚度为1.0 mm)在370 nm和1 064 nm处的直线透过率分别为81.5%和84.0%, 晶胞密度为4.57 g/cm3, 光学散射损耗为1.4% cm-1, 吸收带内的太阳辐照度约是太阳常数的 42%。上述研究结果表明Cr,Nd∶YAG陶瓷是理想的太阳光泵浦激光介质, 可通过优化聚光系统、泵浦方式和陶瓷尺寸获得高功率激光输出。

为了选择适合太阳光泵浦的激光材料，本文从四能级速率方程出发，综合考虑了太阳辐射带状光谱特性和激光材料对泵浦光吸收能力，建立了太阳光泵浦固体激光理论模型。利用该模型推导得到了单束光侧面泵浦和椭球腔侧面泵浦方式下的泵浦阈值表达式，并结合Nd3+∶YAG、Nd3+∶glass、Nd3+∶Cr3+∶GSGG (Nd3+∶Cr3+∶Gd3Sc2Ga3O12)、Cr3+∶BeAl2O4和Cr3+∶Nd3+∶YAG等激光材料的光谱参数，计算了这些材料的泵浦阈值光强。结果表明:在单束光侧面泵浦和椭球腔侧面泵浦方式下，Nd3+∶YAG的泵浦阈值光强分别为448个太阳常数和224个太阳常数，是比较适合用太阳光泵浦的激光材料。由于椭球腔的特殊结构，采用椭球腔侧面泵浦激光介质，阈值光强比较低。分析了泵浦阈值光强与材料直径的关系。该模型可用于从现有的激光材料中筛选出在太阳光泵浦下最易输出激光的工作物质。

太阳光泵浦激光器直接利用太阳光作为泵浦源,实现了太阳光能量到激光能量的直接转化。设计了分腔水冷型金属锥形泵浦腔,以直径8 mm,长115 mm的Nd:YAG晶体棒作为激光工作物质,用有效面积1.03 m2菲涅尔透镜会聚太阳光,实验获得了23.7 W的稳定激光输出,斜效率为7.87%。通过对比实验,改进后的分腔水冷型太阳光泵浦激光器较原有锥形腔激光器有55.92%的激光输出功率提升。分别从侧面泵浦光在冷却水中的吸收损耗以及其耦合效率等方面对新型腔体结构进行了分析,证实了分腔水冷型腔体结构对侧面泵浦效率的提高,并提出了陶瓷漫反射材质的分腔水冷型激光腔的设计。