通用原子(航空系统)公司高能激光器得到了高能液体激光区域防御系统(HELLADS)计划的经费支持, 目前已发展到第3代系统, 并通过了美国政府验收。首先对HELLADS计划相关信息进行了梳理, 分析了其产生背景、研制阶段、支持经费和相关技术进展。其次详细研究了通用原子公司高能激光器的系统结构、技术路线、抽运方式、技术特点和性能指标。通过综合分析可知, 通用原子公司第3代高能激光器模块采用紧凑的锂离子电池提供电力, 输出功率为75kW, 光束质量β<2, 电光效率接近30%, 模块尺寸为1.3m×0.4m×0.5m, 重量/功率比为4kg/kW, 持续运行时间超过30s, 适合于安装在各种小型战术平台上。最后评述了该激光器输出功率定标放大的技术途径, 探讨了其后续发展方向。

设计并合成了掺杂不同Nd3+离子浓度的氟化镧纳米颗粒, 并用油酸进行了表面修饰, 使得这类纳米颗粒可分散于常见的有机溶剂中形成透明、均一、稳定的溶液。对纳米颗粒的结构、晶相以及发光性能进行了表征。固体和溶液材料在1 060 nm都有强的发射峰, 说明纳米晶格可有效地保护Nd3+离子免受外界环境对发光的猝灭影响。纳米颗粒有机溶液的吸收损耗和散射损耗测试结果表明, 其总损耗系数能够满足激光介质材料的损耗要求, 为该材料的实用化打下了基础。

选取掺钕四氟化钆钠(Nd3+: NaGdF4)纳米晶分散到二甲基亚砜作为“绿色”液体介质,构建单侧抽运和液体横流系统,使用ANSYS软件对液体介质稳定热流场分布进行模拟分析。结果表明: 当流道形状、流动状态、壁面相同时,液体流场分布基本相同,泵浦光的频率对流场分布影响很小;液体介质入口的流速会影响流线分布,流速越快,流线越密;泵浦区域中,介质沿着液体流动方向温度逐渐升高;在液体流向变化小的区域,可获得较为均匀的温度分布。

合成并用元素分析、红外光谱法表征了一种4,4′-二甲基-2,2′-联吡啶五氟丙酸钕配合物—Nd(C2F5COO)3·Dmbp (Dmbp: 4,4′-二甲基-2,2′-联吡啶).将该配合物溶解在N,N-二甲基甲酰胺中获得了液体介质,依据液体介质的吸收和荧光光谱,通过Judd-Ofelt理论计算获得了钕离子的谱线强度参数(Ω2, Ω4 ,Ω6)和受激发射截面.计算得到该配合物中钕离子4F3/2→4I11/2跃迁的受激发射截面为5.2×10－20 cm2,表明该钕配合物在液体基质中具有较好的发光特性.通过荧光发射光谱分析可知,Nd(C2F5COO)3·Dmbp将是一种有前途的光学增益材料.

以稀土氧化钕和邻非罗林为原料，合成了两种新型钕离子络合物液体激光介质，实验测得该液体激光介质无毒、成本低、热稳定性好，并且易于工业化.在考虑交叉驰豫的情况下，测量了样品的吸收谱和荧光谱，得到Nd3+“绿色”液体激光介质激发过程中各能级粒子数的速率方程，并利用速率方程研究了4F3/2能级荧光强度和Nd3+浓度的关系.结果表明：随着浓度的增加，荧光强度出现先增后减的现象；分析了液体运行温度对样品荧光强度的影响，得到了荧光强度对温度的依赖关系——由于双声子辅助能量转移过程，随着温度的增加，液体荧光强度迅速下降.

合成了一系列全氟羧酸钕2,2’-联吡啶配合物： Nd（CF3COO）3·Dipy， Nd（C2F5COO）3·Dipy 和Nd（C3F7COO）3·Dipy， 并通过红外光谱、 元素分析、 热分析、 紫外可见近红外吸收光谱和荧光光谱对其进行了表征。 配合物的分解温度都高于260 ℃， 最大失重温度超过340 ℃， 说明它们具有良好的热稳定性。 全氟羧酸的碳链长度和钕离子配位结构的差异， 引起配合物的吸收跃迁强度的变化。 根据紫外可见近红外吸收图谱， 计算获得了Judd-Ofelt 参数和受激辐射跃迁特性。 配合物的受激发射面积分别为： 3.63×10-20， 2.36×10-20和1.49×10-20 cm2， 可以和文献报道的无机材料媲美， 它们将是非常有潜力的液体激光介质。

利用氧化钕和盐酸为原料制得Nd(phen)2Cl3(三氯二邻菲罗啉合钕)，测得其光谱特性并以稀土氧化钕、苯甲酸和邻菲罗啉为原料制得绿色液体激光介质钕离子的配合物——NdB3phen（三苯甲酸—邻菲罗啉合钕）.利用飞秒激光器，采用单光束Z扫描法研究了NdB3phen的三阶非线性光学特性.结果表明：当入射飞秒激光脉冲波长为400 nm，峰值功率密度为2.94×1014 W/m2，脉宽为117 fs时，测得样品NdB3phen的非线性折射率为－2.84×10－18 cm2/W；NdB3phen在开孔条件下呈现反饱和吸收现象，测出双光子吸收系数的值为9.11×10－12 m/W.实验结果表明，NdB3phen的双光子吸收系数和非线性折射率随着光强的增强而增大.

为了提高横流液体激光器的光束质量，采用ANAYS软件分析了双侧抽运液体激光器的液体介质的温度分布，对不同流速条件下的非稳腔光场分布和光束质量M2因子进行了数值计算。结果表明，存在一个使光束质量M2因子较优的液体流速，并针对该类激光系统中增益和折射率梯度分布都关于抽运方向对称分布的特点，采用柱透镜补偿波前畸变效应，将光束质量因子由24降低到12.5，说明柱透镜补偿位相畸变能有效地提高液体输出光束质量。

开展了二极管抽运流动无机液体激光体系的激光实验研究，获得了长时间稳定的准连续激光输出，抽运频率300 Hz时的平均输出功率超过10 W，光光转换效率约为6%。实验中研究了抽运电流、抽运频率、输出耦合率和磁力泵转速对平均输出功率的影响，并进行了初步的理论分析，为进一步开展无机液体流动激光实验研究积累了经验。同时，很好地解决了无机激光液体的长时间保存技术问题，有效地避免了激光液体光学性能的退化。实验结果表明，二极管抽运的无机液体体系在流动时能有效地避免热沉积，可以获得长时间稳定的准连续激光输出。

热效应是限制高能激光输出性能的重要因素之一，液体激光体系在此方面具有特殊的优势。开展了二极管抽运无机液体激光器的流动出光实验，实现了流动状态下较长时间高重复频率的激光脉冲输出。测量了激光光谱、激光脉冲波形和单脉冲激光能量等参数，其中激光中心波长为1052.7 nm，脉宽约为170 μs，最大单脉冲能量约为5 mJ。在抽运频率400 Hz时可连续工作10 min以上。但随着抽运频率上升，激光脉冲能量相应下降。结果表明，二极管抽运的无机液体激光体系在流动状态下能有效地避免热沉积，从而实现较长时间、高重复频率的激光脉冲输出，有望发展成为新型高功率、高光束质量激光体系，值得开展深入的实验研究。