本文通过理论和实验分析了1064 nm高功率明亮压缩态光场实验制备过程中，高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器引起的热透镜效应和模式失配。首先根据热透镜理论模型，定量分析了高功率种子光和泵浦光注入光学参量放大器时，周期极化磷酸氧钛钾晶体内部热透镜的等效焦距。然后根据高斯光束与光学谐振腔的模式匹配理论模型，理论分析了高功率种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式失配量。最后在高功率明亮压缩态光场正常输出的工作状态下，重新优化种子光和泵浦光与光学参量放大器的模式匹配效率，在种子光功率为500 mW、泵浦光功率为145 mW的条件下，在分析频率3 MHz处，直接测得光功率为200 μW、压缩度为-10.8 dB±0.2 dB的明亮压缩态光场。上述实验结果与有关文献测得的压缩度仅相差0.1 dB，表明在本文实验系统中，高功率种子光和泵浦光引起的热透镜效应对光学参量放大器输出明亮压缩态光场的压缩度基本没有影响。

翠绿宝石晶体的热透镜效应会严重影响激光器的输出性能。首先通过建立晶体的热传导模型，合理设定边界条件并求解相应的热传导方程，对造成热效应的三个因素进行分析，计算了相应因素下热焦距的理论值。然后，利用谐振腔的临界稳定条件，对晶体的热焦距进行测量，测量结果与理论计算值基本吻合，证明利用谐振腔的临界稳定条件测量F-P腔的热焦距是可行的。最后，对不同腔长下的输入输出特性进行了分析，详细解释了在热效应的复杂影响下输入-输出曲线中的凹陷现象。在计算出最大抽运功率下的热焦距后，调整相应腔参数，可以使激光腔在整个抽运功率范围内处于稳定状态。研究结果对于减少热透镜效应的影响、提高激光器的性能具有重要的指导作用。

在CdSe晶体光参量振荡器(OPO)中, 泵浦激光经过晶体后产生大量废热, 使CdSe晶体出现明显热透镜效应, 从而导致泵浦激光的光斑半径在晶体内部不断变小, 最终降低了晶体的损伤阈值和OPO的输出功率。本文利用COMSOL软件对高重频脉冲激光泵浦CdSe晶体进行多物理场建模, 完成了CdSe晶体热透镜效应仿真, 通过参数优化, 发现对流系数与晶体最大温度成反比, 与晶体后端面和焦点的光斑半径成正比, 聚焦位置随对流系数增加趋于稳定。单脉冲能量和重复频率与晶体最大温度和焦点的光斑半径成正比, 与晶体后端面光斑半径和聚焦位置成反比。准直激光光斑半径与晶体最大温度成反比, 与晶体后端面光斑半径、聚焦位置和焦点光斑半径成正比。该研究解决了CdSe OPO中晶体后端面光斑半径难以直接测量的问题, 为优化CdSe晶体热透镜效应提供了理论依据。

构型优化条件要求柱面聚焦透镜与待测样品位置重合, 造成实验实现的困难, 因此通过数值计算分析了柱面聚焦透镜位置对其余构型参数优化值、聚焦误差信号幅值及其非线性误差的影响。提出了聚焦误差热透镜技术的单柱面聚焦透镜测量构型, 并建立了基于热透镜光学相移理论的热透镜聚焦误差信号理论模型, 获得了构型优化条件。计算结果表明:当柱面聚焦透镜与待测样品间距小于0.7倍的柱面聚焦透镜焦距时, 探测和激励光斑半径优化值与理论优化值基本一致, 探测器与聚焦透镜间距略有增大, 聚焦误差信号大于0.85倍的理论极值, 探测光最大光学相移小于0.2 rad时非线性误差小于1%。证明了聚焦误差热透镜技术的单柱面聚焦透镜测量构型的可行性。

通过实验和理论相结合的方式,从热透镜效应角度研究了Er ³⁺,Yb ³⁺∶glass在激光二极管(LD)端面抽运条件下的激光输出能量,建立起LD抽运重复频率、Er ³⁺,Yb ³⁺∶glass热光系数与空腔运转斜率效率、调Q输出脉冲能量之间的关系。采用平凹腔结构,并以Co ²⁺∶MgAl₂O₄作为调Q开关,设计了LD端面抽运被动调Q激光器,实验结果发现,当热焦距大于前腔面光斑半径最小值对应的热焦距时,空腔运转斜率效率与材料的热光系数呈负相关,调Q输出脉冲能量与热光系数及抽运重复频率均呈负相关。基于理论研究,通过热焦距公式、稳定谐振腔的矩阵计算法以及被动调Q的速率方程进行数值模拟,解释并验证上述实验现象。结果显示,可通过降低抽运重复频率和选择低热光系数的Er ³⁺,Yb ³⁺∶glass等方式降低热透镜效应实现高脉冲能量的输出。

提出一种数字全息定量测量半导体激光二极管侧面泵浦Nd∶YAG晶体热透镜效应的方法。CCD采集Nd∶YAG晶体在不同泵浦电流下的数字全息图,通过数值重建得到热透镜效应引起的相位分布及其变化过程。再由相位分布计算得到对应的热透镜焦距。实验结果表明,利用数字全息技术可以准确和有效测量热透镜效应及热透镜焦距。

为降低半导体激光器在慢轴方向的远场发散角, 改善慢轴光束质量, 本文提出了一种新型的绝热封装结构, 可削弱激光器工作时因芯片横向温度不均而导致的热透镜效应, 并基于傅里叶热传导方程, 采用有限元分析软件ANSYS 18.0进行热特性仿真, 利用Fineplacet贴片机对808 nm In0.1Ga0.73Al0.17As/Al0.37GaAs宽条形半导体激光器进行绝热封装, 采用电荷耦合器件(CCD)图像采集分析法对其光束质量进行测量。实验结果表明采用绝热封装方式可减小慢轴发散角约40%, 且慢轴发散角随工作电流变化更稳定, 相对应的光参数积BPP和光束质量因子M2也随之降低约33%和30%, 芯片横向(慢轴方向)与热沉接触宽度越小, 绝热封装对慢轴光束质量改善效果越好。绝热封装中空气隙的引入使得激光器光电特性产生恶化, 输出功率降低约14%, 光电转换效率降低约8.7%。绝热封装方式对改善半导体激光器的慢轴光束质量具有重要的指导意义。

利用Yb³⁺∶KGd(WO₄)₂晶体的热膨胀系数各向异性和折射率温度梯度为负值的特点，就可能找到被光抽运时热透镜效应为零的特定方向，此方向即为“无热透镜方向”。鉴于前人的理论计算中存在着一些缺陷，利用最小二乘法和二阶张量旋转法，精确计算了Yb³⁺∶KGd(WO₄)₂晶体的热膨胀张量以及在不同偏振状态下的无热透镜方向：m偏振时，在p-g 平面内与p 轴成±46.3°的方向；p 偏振时，在m-g 平面内与m 轴顺时针成24.9°以及与m 轴逆时针成81.2°的方向；g 偏振时不存在无热透镜方向。将之与前人的计算结果进行了比较，指出了其理论模型中存在的缺陷。计算了p 偏振时在m-g 平面内与m 轴顺时针成17°的方向上传播以及m 偏振时b 方向传播的单位光程变化值，并与前人已发表的理论与实验结果做了对比分析，证实了所建理论体系的有效性。