以LD泵浦光在侧泵模块水冷结构中的传输过程为研究内容, 基于模块结构参数、光波传输特性及介质透光特性, 系统分析了泵浦光在各介质表面和内部的偏振态变化、光强衰减过程及变化规律。重点分析了由介质表面菲涅尔效应和内部吸收效应等造成的光强衰减; 计算了泵浦光在水冷结构中单次往返过程的损耗系数和偏振态变化矩阵。分析结果对于优化模块泵浦效率、增强散热效果等有一定借鉴作用。

设计了一套高稳定度大能量输出的三波长Nd:YAG激光系统,用作激光清洗光源。该系统包括振荡级、 放大级及后续波长切换系统。为解决激光棒热致双折射效应造成的输出能量下降和输出不稳定,在 输出镜和激光工作物质之间插入λ1/4波片,并对波片的补偿效果进行了研究。结果表明：插入波片 后振荡级输出能量提高了10%, 稳定度明显提高。重复频率为10 Hz时, 1064 nm激光经放大后单脉冲 能量可达700 mJ, 其单次通过倍频晶体BBO, 得到532 nm激光的单脉冲能量为325.6 mJ, 四倍频后得 到266 nm激光的单脉冲能量为84 mJ。1 h内测得的三波长激光输出能量不稳定度均小于0.6%。

为了克服线性模型在描述高功率运转的激光晶体时, 热焦距和热致双折射计算值与实测值不符的缺点, 采用非线性热传导模型, 计算了常用[111]切割方向Nd∶YAG激光晶体的热致双折射椭圆分布以及径向和切向热焦距。进行了平均热焦距数据测量和旋转线偏振光干涉实验, 实验结果与理论分析吻合。结果表明, 非线性模型对Nd∶YAG激光晶体在高功率运转时的描述更符合实际情况, 普适性更强。这一结果对于设计高功率径向或切向偏振固体激光器是有帮助的。

激光振荡器和激光放大器中激光晶体的热效应对光束特性有着重要的影响，不仅改变了光束的波前，还影响了光束的偏振态。基于激光晶体内的弹光效应，通过对光率体的主轴化，研究了自然双折射晶体中的热致双折射效应。结果表明，弹光效应对自然双折射晶体光率体的影响主要表现为横截面内椭圆主轴的偏转，主轴偏转角度小于0.01°。在激光振荡器和放大器中，一束线偏振激光经过具有热效应的自然双折射晶体之后退偏率小于1.8×10-8，这种条件下热致双折射效应的影响可以忽略，这与光学各项同性晶体完全不同。

在高功率线偏振基模输出激光二极管(LD)侧面抽运NdYAG激光腔中，热致双折射效应是影响线偏振基模输出功率的主要热效应。利用双棒串接结构，对热致双折射效应引起的退偏效应进行了有效的补偿。在分析谐振腔参数对激光器性能影响的基础上，通过优化设计，在实验中得到了35 W的线偏振基模输出。

为了设计出高功率、高光束质量的激光器，研究激光器的光束质量随腔内光学元件间的距离、孔径尺寸等的变化具有重要的意义。在考虑棒端平面的热膨胀的情况下，用光学传输矩阵方法研究了双棒对称腔中双棒之间的距离对激光器稳定性和光束质量的影响。数值计算了在没有热致双折射补偿和有热致双折射补偿时光束质量、棒中基模体积、模形状与棒温差和双棒间距离的关系。结果表明，在热致双折射补偿腔中，为得到好的光束质量，应该将两棒分别靠近两端的端镜或在腔中间相互尽量靠近。并且，将两个棒放置在靠近腔镜的位置，激光器可以高功率无损伤运转。

利用Ansys对内含非均匀热源的有限尺寸的非理想板条放大器进行了热应力分析, 在此基础上利用热力光学模型, 对长度方向为［111］板条放大器中的热退偏效应进行了模拟分析, 并与前人的工作作了比较。结果表明, 不合理的平面应变近似会导致计算结果偏小; 退偏损耗大小与切割角及之字形光路的周期数有关; 对于不同的切割角而言, 退偏损耗与之字形光路反射次数之间的关系不同, 反射次数并非总是越多越好; 对于宽度方向为［101］的板条而言, 应尽可能增大之字形光路的反射次数, 且信号光不能完全充满板条的端面。

研制一台激光二极管(LD)侧面抽运双棒串接准连续Nd∶YAG折叠腔高功率绿光激光器,理论分析了热致双折射效应对系统的影响,并对用石英旋转片补偿前后的情况进行模拟对比。在考虑了补偿后的情况下设计了热稳定谐振腔。实验中采用两个串接的由30个20 W的LD阵列侧面抽运的Nd∶YAG棒和Ⅱ类临界相位匹配HGTR-KTP晶体,在抽运电流均为21.6 A,重复频率为27.2 kHz时,获得了最大平均输出功率为164 W,脉冲宽度为130 ns的532 nm绿光输出,光-光转换效率为13.7%,测得光束质量因子为M2x=9.52, M2y=9.86,不稳定度为2.3％。实验结果显示,经补偿后的激光系统能在宽的稳区范围内稳定运转。

固体激光器中的热致双折射效应严重地限制了基模输出功率的提高,为了获得大功率高质量的激光输出,需要对热致双折射效应进行补偿。在理论上对双棒在腔内串接补偿热致双折射效应的条件进行了改进,通过设计合理的腔结构和腔内元器件,应用4f成像系统空间滤波器并考虑石英旋光器的厚度,使得腔内光束的退偏率降至2.5%以下。使用矩阵光学的方法简化了对含有这样一个复杂光学系统的谐振腔稳定性和腔内光束半径等特性的分析。通过在腔内加入一个正透镜来扩大基模体积,实验中在双氪灯连续抽运Nd∶YAG激光器中得到了61 W线性偏振的激光基模输出,表明在大基模体积谐振腔的设计中,双折射效应的补偿十分必要。

为了同时补偿固体增益介质的热致双折射及热透镜效应,进一步提高重复频率1 kHz激光二极管(LD)侧向抽运高平均功率电光调Q Nd:YAG激光器的输出功率,设计了一种完全消除热退偏损耗的双调Q开关谐振腔结构,此结构在传统调Q谐振腔的基础上沿着偏振片的退偏方向增加了一个调Q谐振支路,并使得激光从增益介质方向输出。实验结果表明,此激光器的单脉冲能量比单Q开关结构的非补偿腔输出能量高出74.7%。当侧面抽运的激光二极管输出脉冲能量达到307 mJ时,激光输出能量达到26.2 mJ,光-光转换效率为8.5%,光束发散角为1 mrad。