提出了一种X波段过模低磁场高效率相对论返波管振荡器（RBWO），其主要结构包括一个双谐振腔反射器、一个周期性慢波结构和一个插入式同轴内导体模式选择器。该RBWO采用了过模结构，较大的过模比带来了更高的功率容量。慢波结构分为空心与同轴两部分，插入同轴避免了高阶模式的竞争，使两段慢波结构分别工作在TM₀₂和同轴TM₀₁模式下。同时，插入同轴还起着模式转换的功能，将TM₀₂转化为TM₀₁，最终在输出波导中输出纯TM₀₁模式。双谐振腔反射器使慢波结构在过模条件下与二极管区域能够实现良好隔离，同时为电子束提供足够的预调制，实现在低磁场下较高的微波转化效率。利用粒子模拟仿真对器件进行优化设计，在二极管电压850 kV、束流11.74 kA、引导磁场0.63 T的条件下，获得了3.5 GW的微波输出功率，微波中心频率为9.46 GHz，转换效率约为35%。

利用不同阶拉盖尔-高斯（LG）模式激光具有不同光束尺寸的特性，在激光谐振腔内使用短焦距透镜引入球差，使各阶LG模式激光的空间光路发生分离，从而实现对高阶横模的选择并产生高阶LG模式涡旋激光输出。通过对高阶LG模式激光的聚焦特性和透镜球差进行分析计算，给出了高阶LG_0，±m模式涡旋激光的角向指数（m）随谐振腔参数变化的理论模型。搭建端面泵浦的1064 nm Nd∶YVO₄激光器开展了实验研究，在2.06 W泵浦功率下获得了角向指数可便捷调控且m最高可达到280的超高阶LG_0，±m涡旋激光输出。实验产生的超高阶涡旋激光具有良好的功率和模式稳定性，模式变化规律与理论计算结果相符。通过增加泵浦功率或优化泵浦交叠以提高激光增益，理论上可以产生任意高阶的涡旋激光输出。研究结果为超高阶LG模式涡旋激光的产生提供了参考。

根据全反射棱镜式环形激光器(TRPRL)的矩阵光学理论和环形He-Ne激光器内环形激光的工作理论,研究了TRPRL的激光模式选择技术方法,可令环形激光器内的顺时针和逆时针两个方向上的激光工作在单谱线、单横模、单纵模的状态,从而在环形激光器内形成稳定的驻波,输出到光电探测器上稳定的干涉条纹信号波形。采用缩短TRPRL的毛细管直径方法,可抑制3.39μm谱线; 由于TRPRL的特殊的环形激光器结构,采用分立式特殊结构设计的选频光阑,选频光阑可以放到环形激光器的光路任意位置处,而多个选频光阑即可有效抑制1.15μm的谱线; 根据不同波长激光腰斑半径的不同,在光腰处采用特制的椭圆小孔光阑,抑制0.63μm激光的高阶横模。对于TRPRL在全反射棱镜式激光陀螺(TRPLG)中的应用具有重要意义。

提出了一种基于矢量模式的全光纤模式选择耦合器，该耦合器由一个单模光纤和一个空气芯环形少模光纤组成。基于耦合模理论，研究了不同参数对耦合特性的影响，并且详细分析了纤芯间距对高阶模式间的串扰和工作带宽的影响。结果表明，在相位匹配条件下，该矢量模式选择耦合器可高效地实现基模与特定高阶模的耦合；通过改变耦合器的纤芯间距，可以调控模式间的串扰和工作带宽之间的平衡关系。该模式选择耦合器可直接实现基模到高阶矢量模式的高效转换，能降低光通信系统的插损和复杂度，在光纤激光器、光镊和模分复用系统中具有潜在的应用价值。

为了避免光子灯笼模式解复用器串扰对模式功率测量带来的误差,提出基于单一模式计算方式的波长映射测量方法,详细描述了其工作原理并研制出相应的模式功率检测单元。采用混合模式和单一模式两种计算方式,分析了模式功率检测单元的透射率矩阵特点,实验验证了波长映射测量方法的可行性。实验结果表明,单一模式计算方式对少模光纤的偏振扰动不敏感,其模式透射率的偏振相关性小于0.025。在此基础上搭建了1480 nm前向泵浦的三模掺铒光纤放大器,采用波长映射方法测试了三模同时放大的性能,获得了高达26 dB的模式增益,差模增益小于2 dB。

基于腔内球差选模方法在端面泵浦的 Nd:YVO4激光器中实现了能够对角向指数 m进行便捷选择的高阶 LG模式激光输出, 从 LG模式光斑半径和能量分布的角度对实验现象进行解释, 分析发现不同模式间球差引起的实际焦点偏离是实现单一 LG模式运转的关键, 而单一模式自身球差产生的损耗决定了该模式是否能够起振。根据理论分析, 分别通过使用长焦距透镜减小球差以降低高阶模式的损耗和增加泵浦功率以提高增益, 实现了角向指数 m最高达到 ±95的超高阶 LG模式输出; 通过使用短焦距透镜增大球差来加强对光斑较小的低阶模式的区分度, 实现了径向指数 p>0的 LG模式输出。

本文提出了一种可以实现光纤高阶模式(HOM)在激光腔内振荡的锁模掺镱光纤激光器。通过使用一对级联的模式选择耦合器(MSC)作为有效的模式转换器，获得光纤锁模激光腔内HOM产生。其中，制备的MSC中心波长为1064 nm，可实现80 nm的模式转换带宽和94%的高阶模式纯度。通过搭建掺镱锁模光纤激光器，实验获得了3 dB谱宽7.4 nm、脉冲重复频率10.9 MHz、射频信噪比55 dB的锁模脉冲激光，输出功率的斜率效率为2.3%。实验证明，这种方法可在激光器内部通过模式级联转换，且能参与腔内锁模过程获得脉冲HOM激光。

设计一种基于腔内全光纤模式复用器/解复用器(MUX/DEMUX)的少模环形光纤激光器,实现了LP01模、LP11模、LP21模及混合模式可切换的激光输出。实验结果表明,利用低串扰的全光纤模式MUX/DEMUX结合4×1光开关,激光器可在三个最低阶的线偏振(LP)模式及其混合模式之间进行切换,LP01模、LP11模、LP21模的泵浦阈值分别为40、60、80 mW,斜率效率分别为1.2%、0.82%、0.56%。对设计的少模环形光纤激光器结构进行数值模拟和参数优化,极大地改善了波长偏移问题,实现了小于0.032 nm的3 dB线宽。

随着通信行业的快速扩张以及光互联、片上实验室等技术的发展,人们对激光器等器件集成化、小型化的需求日益增长。半导体纳米线激光器由于其独特的一维结构与灵活的带隙调控性能等特点,在微纳激光器领域受到广泛研究。实现单模输出的半导体纳米线激光器,对光互联、传感、光谱学以及干涉测量等领域具有重要意义。综述了单模半导体纳米线激光器的基本技术与研究进展。介绍了半导体纳米线激光器的常用材料,并利用圆介质波导模型分析了其基本模式特性,详细阐述了半导体纳米线实现单模激光输出的主要方法以及发展现状,并对各方案面临的挑战进行了总结。

对模式选择耦合器、声致光纤光栅等全光纤模式转换器件的工作原理进行总结,并结合锁模光纤激光器和模式转换器件的优势,简单高效地产生了超快矢量光束和涡旋光束,得到的超快高阶模式激光具有峰值功率高、模式纯度高等特点。实验证明了模式转换器件的快速响应特性和宽带模式转换特性,并指出了其未来的发展方向和应用前景。