对100 kHz运转的腔倒空薄片激光器的输出特性进行了理论和实验研究。首先建立起腔倒空薄片激光器的速率方程理论模型,模型中考虑了单位时间谐振腔中新增的自发辐射光子数,对其占总自发辐射光子数的比例进行了分析,并结合一些参数进行了仿真。进一步搭建了重复频率为100 kHz的腔倒空薄片激光器实验装置,获得了平均功率为253 W的纳秒激光脉冲输出,光光效率约为35.2%,脉冲宽度为10.4 ns,单脉冲能量为2.53 mJ,脉冲的峰值功率超过了200 kW, x和y方向的光束质量M²分别为9.77和9.27。针对腔倒空调Q的动力学稳定性问题,研究了普克尔盒开关时间对输出平均功率和输出脉冲稳定性的影响,实验中观察到了倍周期分岔和确定性混沌现象,从理论上对这个现象进行了仿真分析,仿真结果可与实验结果相符。

报道了全固态脉冲运转腔外四倍频289.9 nm紫外激光器。首先，基于Nd∶KGW晶体的受激拉曼散射机制，以Nd∶YVO₄晶体作为增益介质，结合声光调Q技术，研制了一台1159.31 nm红外拉曼激光器。当二极管阵列的总抽运功率为20 W时，1159.31 nm激光的输出功率为983 mW，脉宽为13.5 ns。依次利用Ⅰ类相位匹配偏硼酸锂(LBO)和偏硼酸钡(BBO)晶体进行腔外二倍频和四倍频，实现了平均功率为108 mW的289.9 nm紫外激光输出，重复频率为10 kHz，脉冲宽度为8 ns，峰值功率为1.35 kW，四倍频转化效率为11%。测量了紫外激光的输出光斑，分析了平均功率随脉冲频率的变化关系。

为了实现高效的太阳光泵浦系统,有必要设计一种兼具低热冲击和高聚光量的泵浦腔。利用TracePro软件建立菲涅耳透镜、瓶形泵浦腔二级系统,通过优化确定了最佳入窗口径、入窗位置、出窗口径、瓶腰直径、瓶腰位置、晶体棒长。通过理论计算得出了长度为60 mm晶体棒的泵浦阈值功率为4.568 W/m ²,最佳系统结构的输出功率为18.21 W,热透镜焦距为31.0 cm。在与锥形腔的比较中计算得出两种腔形下晶体棒的轴向温度分布曲线,通过对比表明,瓶形腔在减少热冲击和提高抽运光均匀性上具有明显的优势。本文的优化设计为后续实验提供了新思路。

针对高功率激光的应用需求,提出一种新构型的低温激光放大器方案,采用低温液体侧面冷却三角形沟槽设计的块状Yb∶YAG晶体,抑制了介质内寄生振荡,改善了热管理效果,实现了放大器高效储能与提取,获得了能量为9.4 J、脉冲宽度为10 ns、重复频率为5 Hz、远场3.3倍衍射极限的激光输出,为后续更大能量的Yb∶YAG激光放大器设计提供了有益的参考。

Nd,Gd∶CaF₂是一种无序结构晶体,具有光谱宽、热导率高、透射范围大、声子能量低等优势。利用0.5%Nd,8%Gd∶CaF₂晶体作为激光增益介质(百分数为原子数分数),实现了LD抽运的调谐激光输出,激光调谐波长范围为1045.7~1074.2 nm;将半导体可饱和吸收镜作为锁模元件,最终实现了双波长锁模激光输出,锁模激光器的中心波长分别位于1065.45 nm和1066.48 nm。锁模激光器的最大平均输出功率约为394 mW,最小脉冲宽度约为8.37 ps。

设计了激光二极管抽运的424 nm腔内和频蓝光激光器。该激光器采用复合V型腔结构,利用Ⅰ类临界相位匹配的三硼酸锂(LiB3O5,LBO)晶体对掺镱钇铝石榴石(Yb∶YAG)晶体的1030 nm激光和掺镨氟化钇锂(Pr∶YLF)晶体的720 nm激光进行腔内和频。当Yb∶YAG晶体的抽运功率为5 W,Pr∶YLF晶体的抽运功率为3.1 W时,实现了18 mW连续运转424 nm蓝光激光的稳定输出,光-光转换效率为0.2%,水平及竖直方向的光束质量因子分别为1.62和1.50。

为了解决激光二极管抽运波长随温度漂移导致激光器输出能量下降的问题, 采用激光二极管抽运源波长匹配及凹凸稳定谐振腔技术实现免温控, 并进行了理论分析和实验验证。该激光器腔长210mm, 电光转换效率5.7%; 输出单脉冲能量大于60mJ, 在10℃～30℃范围内, 能量稳定度优于5%; 激光器输出光斑直径4mm、脉冲宽度8ns、激光器10Hz工作时, 激光远场束散角为1.1mrad。结果表明, 实验与理论分析计算结果符合, 该激光二极管侧面抽运免温控激光器可在一定温度范围内保持稳定的能量输出。该理论分析与方案对研究免温控激光器具有重要意义。

二极管抽运的全固态锁模Yb激光器能够在1 μm附近输出高平均功率窄脉冲宽度的飞秒激光, 在超快非线性频率变换、飞秒光学频率梳、超快光谱学等领域具有重要应用。利用被动锁模技术和克尔透镜锁模技术, 人们在一系列新型Yb掺杂激光介质中实现了飞秒锁模激光运转。介绍了近年来在二极管抽运全固态飞秒Yb激光器的研究进展, 并展望了进一步提高输出功率和缩短脉冲宽度的技术途径及发展前景。

为了获得高重复频率的飞秒激光脉冲，将突发运行模式引入飞秒碟片再生放大系统中。通过将再生放大器的腔长设计为9.3 m,激光系统输出了接近衍射极限的激光脉冲，且激光脉冲的重复频率为电光调制频率的5倍。在电光调制频率为5 kHz、吸收的抽运功率为98 W的条件下，获得了最高输出功率为10.7 W、光谱半峰全宽为1.18 nm、脉冲宽度为777 fs的双曲正割脉冲输出。再生放大器的光-光转换效率随着电光调制频率的增加而增加，从频率为0.5 kHz时的12.4%增加到频率为5 kHz时的25.3%。激光的输出稳定性在18~20 ℃的温度区间内随着水冷温度的降低而提高，激光系统输出功率的均方根从20 ℃时的0.93%变为18 ℃时的0.52%。该研究结果对于设计具有高重复频率、高功率且性能稳定的飞秒激光系统具有参考价值。

为实现激光二极管抽运全固态激光器(DPSSL)的小型轻量化和高效率，研究了采用高温激光二极管(LD，808 nm，55 ℃)作为抽运源，降低温控系统制冷压力，减小传导冷却结构体积、重量、功耗的思路和方法。分析了激光二极管抽运全固态激光器中热电制冷器制冷量与激光二极管工作温度的关系，采用高温激光二极管阵列抽运源和角锥棱镜谐振腔设计了可靠性高、小型轻量化的全固态激光器，研制了工程化样机，激光器重复频率为50 Hz，连续工作时间达6 min，脉冲能量为85.7 mJ，脉冲宽度为10.8 ns，光束发散角为2.8 mrad，电光效率为4.3%，体积为170 mm×62 mm×80 mm，重量为1.1 kg。研究表明，高温激光二极管抽运的全固态激光器是实现DPSSL小型轻量化和高效率的有效途径。