研制了一种小型全光纤耦合非平面环形腔固体激光器，在1.5 W的808 nm半导体激光器泵浦下，单模保偏光纤耦合输出功率近600 mW，线宽小于200 Hz，偏振对比度优于20 dB。对该激光器的调谐、频率稳定性、功率稳定性等性能进行了研究，该激光器通过了力学试验(随机振动均方根加速度为19.8g，其中g为重力加速度)和温度试验(－20～＋65 ℃)，试验前后输出功率变化小于5%，可以用于对力学环境和温度环境要求较高的场合。

为了研究平面环形腔光阑误差对腔损耗的影响, 利用Fox-li数值迭代法通过GLAD光学仿真软件对平面环形腔进行建模, 仿真计算了平面环形腔中椭圆光阑的尺寸和中心位置偏移误差分别在短轴和长轴方向上对腔损耗产生的影响。结果表明: 在满足基横模运行条件下光阑尺寸越小、中心位置越偏离原点, 损耗越大, 变化越快。在0.03 mm的误差范围内, 误差为负值时尺寸误差引起的损耗变化总是大于中心位置偏移所引起的损耗变化; 短轴方向的误差所引起的损耗变化总是大于长轴方向上误差引起的损耗变化。

从Fox-Li迭代法出发，用光学仿真软件GLAD实现了对平面环形腔的建模。利用此光学模型进行了腔镜倾斜对其本征模式影响的研究，给出了腔镜在两个方向不同倾斜角度下的谐振腔模式光强分布、光强峰值点位置及谐振腔损耗的变化。研究结果表明：腔镜倾斜使平面环形腔模式发生畸变，随着腔面倾斜加大，腔损耗增大，光强峰值点向镜边沿偏移，且腔镜在垂直于腔面方向上的倾斜对振荡模式的影响比腔镜在腔面内的倾斜对振荡模式的影响大。

研究了激光二极管端面抽运非平面环形腔(NPRO)激光器，获得了1.254 W的1064 nm单频可调谐激光输出，斜率效率为51.5%，在1 h测试时间内的功率稳定度为±0.8%。对输出激光的光束质量进行了测量，两方向的光束质量因子分别为M2x=1.16和M2y=1.05，采用拍频法测量表明激光线宽小于2 kHz。通过对激光晶体的温度控制实现了18 GHz的频率变化，在无跳模情况下，连续调谐系数约为-2.9 GHz/℃。通过光纤延迟自拍法对激光频率的短期稳定度进行了测试，获得激光器在100 ms积分时间内的频率稳定度为4.7×10-12。

为了分析光轴在单块晶体加工过程中镜面失谐的自洽特征，建立了非平面环形腔镜面倾斜的数学模型，利用增广的光线矩阵讨论了光轴变动。结论显示：当存在距离误差时，不会影响光轴闭合；当输入输出耦合面设计成曲面时，能实现光轴自洽闭合；当它为平面时，静态分析表明，如果两个对称全反面的失谐角度满足特定关系，能再次实现光轴的闭合。如果失谐角度不满足对应关系，对称失谐和减小失谐量能减小耦合点偏离距离。动态分析过程则给出了一个更加合理的分析加工容差方法，同时为实验的调光过程提供了理论指导。

采用全量子理论对单块非平面环形腔Nd:YAG激光器的强度噪声特性进行了研究，通过理论分析和仿真发现，单块非平面环形腔激光器的弛豫振荡主要由真空起伏、偶极起伏和内腔损耗引起，抽运噪声和自发辐射对弛豫振荡的影响相对较小。同时，从理论上对强度噪声的光电负反馈抑制进行了分析和仿真，为实验上噪声抑制电路的设计提供了一定的理论基础。参考此理论电路，设计了可以获得较好的相位超前和低噪声宽带宽增益放大的噪声抑制电路，在实验上获得了良好的噪声抑制效果。当弛豫振荡峰为311 kHz时，弛豫振荡峰处的强度噪声被抑制了39 dB，在整个频谱范围内获得了低于-115 dB/Hz的噪声水平。

研究了单块晶体成腔的单频非平面环形腔(NPRO)固体激光器，在1.83 W的808 nm抽运功率下输出激光1.01 W，斜率效率达到60%。采用拍频的方法对激光线宽进行了测试，激光线宽小于2 kHz。通过抽运电流反馈控制使弛豫振荡峰得到超过30 dB的抑制；通过对激光晶体的温度调节和压电陶瓷电压调节实现了激光器频率的慢调谐和快调谐，温度慢调谐变化10 ℃时激光频率变化范围超过15 GHz；压电陶瓷快调谐范围超过±200 MHz，在大于200 MHz的范围内响应时间达到45 μs。

报道了激光二极管(LD)抽运的单块非平面环形腔可调谐单频激光器的实验结果。采用LD抽运单块非平面环形腔Nd∶YAG激光晶体，分别获得了1080 mW和580 mW的1064 nm和1319 nm激光输出，对应的光-光转换效率分别为40.9%和14.3%。用法布里-珀罗(F-P)扫描法测量了激光的输出模式及线宽，对应的两种输出均为单横模、单纵模运作，其线宽分别为Δν1064 nm=41 MHz和Δν1319 nm=150 MHz。对两种输出的光束质量进行了测量，其光束质量因子分别为M21064 nm=1.14和M21319 nm=1.15。对两种激光的温度调谐特性进行了测量，1064 nm单频激光的调谐范围48.2 GHz，平均调谐精度1.42 GHz/℃；1319 nm单频激光的调谐范围12.7 GHz，平均调谐精度2.92 GHz/℃。

报道了激光二极管(LD)抽运单块非平面环形腔(NPRO)Nd:YAG激光器和LD抽运单块键合晶体非平面环形腔TmYAG激光器实现单频运转的实验结果。采用LD抽运的单块非平面环形腔Nd:YAG激光器, 分别获得了1.876 W和616 mW的1064 nm和1319 nm的单频激光输出, 对应的光-光转换效率分别为53.4%和19.2%。采用LD抽运单块键合晶体非平面环形腔TmYAG激光器, 获得了878 mW的2 μm单频激光输出, 光-光转换效率为18.8%。为了减小2 μm激光器的热效应, 采用一种新型的YAG+TmYAG+YAG键合单块非平面晶体结构形式并取得了良好的效果。

对于单块结构非平面环形腔单频固体激光器,谐振腔尺寸和输出耦合面偏振膜反射系数的选取是其获得单频、高效率、高功率输出的关键。采用琼斯矩阵的方法讨论了单块激光器获得单频输出的工作原理。通过对谐振腔回路琼斯矩阵特征值的平方及特征值平方差的计算,提出了在晶体尺寸、磁场及抽运功率一定的情况下,通过对单块非平面环形腔输出耦合面偏振膜反射系数的设计来提高激光器的单频输出功率及斜度效率的方法。实验采用光纤耦合输出激光二极管(LD)纵向抽运单块激光器,当抽运功率最高用到2.83 W时,获得了最大1.20 W的1064 nm单频激光输出,斜度效率达47.4%。