研究了薄片激光器中晶体与热沉的封装技术和核心技术，采用薄片晶体与金刚石热沉的光胶工艺，自主设计并研制了5 mm口径的YAG/Yb∶YAG复合薄片激光模块，分析了该薄片激光模块的多通泵浦系统，建立了晶体热效应数值仿真模型，实验测量了在2.2 kW/cm²泵浦功率密度、940 nm泵浦波长下薄片晶体的热焦距为445.6 mm；采用基于光胶工艺封装的薄片激光模块搭建连续激光器，在70 W泵浦功率下获得了18.75 W功率的基横模输出，斜率效率和光光转换效率分别为36.59%和26.79%。

薄片激光器可以实现高峰值功率、高平均功率、高光束质量的激光输出，是高重复频率皮秒泵浦源的关键技术之一。基于Yb∶YAG单薄片激光模块设计并搭建了再生放大系统，连续泵浦下获得了平均功率为40.9 W、重复频率为1 kHz、脉冲宽度为3.4 ns的激光输出，水平方向上的光束质量因子（Mx2）和竖直方向上的光束质量因子（My2）分别为1.12和1.10。基于腔内光束指向主动控制技术，2 h输出的平均功率稳定性峰谷（PV）值和均方根（RMS）值分别为6.42%和0.56%。在600 μs脉冲泵浦情形下，光光效率达16.1%。在10 kHz重复频率下，获得了53.3 W的高平均功率的激光输出，Mx2和My2分别为1.07和1.06。

基于自主研制的72通薄片泵浦模块进行了克尔透镜锁模薄片激光技术研究。首先，分析了薄片克尔透镜锁模原理。然后，基于ABCD矩阵和孤子锁模理论设计了谐振腔。最后，基于72通泵浦模块进行了克尔透镜锁模谐振腔飞秒脉冲实验研究，当泵浦功率为72 W时，获得了平均功率为11.78 W、脉冲宽度为243 fs、重复频率为81.45 MHz的飞秒脉冲输出；优化腔型后，在94 W泵浦时得到了22.33 W的输出功率，脉冲宽度为394 fs。

高功率固体激光技术的发展史就是一部与“废热”的斗争史, 为抑制热效应对光束质量的不利影响, 先后出现了热容激光器、薄片激光器、板条激光器以及光纤激光器, 新的增益介质形态结合先进的散热技术将激光输出功率提升至百千瓦量级。固体激光增益介质的热学性能是限制激光功率进一步取得突破的重要瓶颈。因此, 寻找具备超高热导率的激光晶体材料意义重大。本文介绍了上述四种激光器的基本原理及其在高功率激光方面取得的研究进展, 从提高增益介质材料热导率的角度出发, 对目前已有的方法和研究成果进行了分析与总结, 对超热导激光晶体研究和高功率激光技术的发展进行了展望。

对于直接液冷薄片激光器而言，实现功率的定标放大可以在保证泵浦光强恒定的情况下通过增大泵浦光斑的尺寸同时增加增益介质的尺寸或数量来实现。这种设计理念自提出以来就得到了学术界的青睐。本团队针对高功率直接液冷薄片激光器的实际工作条件，建立了单薄片双通道增益模块在对称情况下的模型，研究了微通道高度、薄片厚度、冷却液雷诺数等参数对激光器输出波前畸变的影响。结果表明：当其他条件一定时，随着微通道高度及薄片厚度的减小，激光器输出光束质量提高；随着冷却液雷诺数增大，激光器输出光束质量提高。经遗传算法优化后的设计参数产生的输出光束光程差均方根值为3.27 μm，峰谷值为6.11 μm，相较于经典文献设计参数下的均方根值和峰谷值分别降低了12.3%和15.6%。

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。

利用特殊的散热设计，在Tm∶ZBLAN玻璃激光器中实现连续和被动调Q锁模运转。分别采用透过率为1.5%、3%、5%的输出镜在激光连续运转时获得254 mW、296 mW、230 mW的最高输出功率。为了实现锁模运转，选用透过率为1.5%的输出镜，将透射式GaAs-SESAM作为锁模元件，出光阈值仅为131 mW，当吸收泵浦功率大于1.09 W时，实现了稳定的调Q锁模运转，最大输出功率为98 mW，调Q包络脉冲宽度为6 μs，重复频率为19.23 kHz，调Q包络下脉冲的重复频率为102 MHz，脉冲宽度约为800 ps，最大单脉冲能量为0.96 nJ。

近年来,超快激光器已成为激光精密制造的主力光源。为进一步提高激光加工效率和加工能力,需获得更高平均功率、更大单脉冲能量的超短脉冲激光器。本文基于自研的单薄片模块和串接的双薄片模块分别搭建了一套皮秒薄片激光再生放大器,其中基于单薄片模块的再生放大器采用脉宽小于10 ps的种子源,最终获得平均功率44.2 W、脉冲宽度9.3 ps、单脉冲能量220 μJ的脉冲激光输出,放大器效率约为13.4%。基于串接的双薄片模块的再生放大器采用脉宽800 ps的种子源,在重复频率200 kHz时获得了126 W的激光输出,在重复频率100 kHz时,实现最大输出单脉冲能量为0.96 mJ。考虑到放大的自发辐射的影响,对单薄片结构再生放大器的动力学过程进行了理论建模,得到和实验相符的结果。更进一步的仿真计算和实验表明较低的单程增益使得薄片再生放大器的光光效率受腔内损耗影响较大,降低腔内损耗是实现高效率薄片再生放大器的关键之一。