研究了小角度情况下基于光谱角色散(ASD)方式的非共线光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)实现啁啾激光脉冲频谱整形的方法。详细讨论了角色散率对信号光各频率成分相位失配量、转换效率及放大后频谱分布的影响。当信号光中心波长为800 nm,带宽为20 nm,在532 nm抽运作用下,对耦合波方程组进行了数值模拟。其结果显示:在最佳角色散率情况下,采用ASD方式的光参量放大后,得到了约28 nm带宽的双峰整形频谱。计算结果也表明:角色散率对整体的转换效率以及放大后整形的频谱分布有较大影响,适当调节抽运光与信号光之间的时延可调整放大后信号光频谱的频移。整形后的频谱分布可在一定程度上克服增益窄化、光谱红移等效应。

针对宽带超短脉冲的倍频,用光学设计软件设计了10 fs、0.8 μm 超短脉冲的倍频系统,该系统包括4个棱镜、2个聚焦透镜.宽带倍频系统要求脉冲中所有的波长成份在非线性晶体中均能实现相位匹配,据此选择操作数建立系统评价函数；以非线性光学倍频中的允许角度评价光学系统的质量；分别对基波和谐波的光路优化设计,获得的棱镜尺寸、棱镜间距和透镜焦距等参数能够使脉冲中的各频率成份以相位匹配方向入射到非线性晶体或无空间啁啾的合束.此外,编写宏对光学系统中群延色散进行控制,使基波在晶体中心无啁啾,以获得最佳倍频效果,谐波光路引入一定的群延色散补偿谐波中的啁啾,消除了谐波中的时间啁啾,获得高质量的谐波脉冲.

针对多色、多频光谱角色散束匀滑方案，数值模拟和分析了多色波长差、多频波长差、带宽和色循环数等主要参数对远场光场均匀性的影响，进而对相关参数进行了优化。结果表明，随着多色波长差的增加，远场焦斑均匀性呈先变好后降低的趋势，即存在最佳波长差；当多频波长差和带宽增加时，远场光场均匀性均得到改善，但考虑高效三倍频的影响，多频波长差和带宽均不宜取太大。当光栅色散系数不变时，远场光强对比度随色循环数的增大呈先减小后增大的趋势，即存在最佳色循环数的选择问题，但最佳色循环数并不为1，而是随着光源参数和光栅参数的变化而有所变化。

介绍了宽频带的高功率钕玻璃激光进行频率变换的意义、存在的困难和目前高效宽带谐波转换技术的一些进展。在详细分析已有的多种谐波转换技术（如光谱角色散技术、啁啾匹配技术、晶体级联、折返点匹配等）的特点和局限性的基础上, 提出一种新颖的宽频带钕玻璃激光三倍频转换方案——组合激光工作模式方案（宽频带激光与窄带激光进行混频）。对该方案的转换带宽进行了数值研究，讨论了其转换带宽提高的内在物理原因，并分析了该方案在高功率激光装置中的应用前景。

提出了一种利用振幅关联函数来分析超短脉冲中时空耦合效应的方法。定义了振幅关联度和关联带宽来衡量时空耦合的严重程度。给出了不同空间啁啾程度的脉冲光束的时空分布图。采用振幅关联函数研究了超短脉冲中的一些振幅耦合效应，如由角色散元件引起的一阶空间啁啾和角色散效应以及由衍射引起的二阶空间啁啾效应，并给出了相应的振幅关联度的解析表达式。结果表明，由于宽带激光脉冲的衍射和折射与频率密切相关，导致其振幅关联度下降并出现时空耦合。具体地，角色散引起的空间啁啾将会随着传输距离的增大而减弱直至趋于一定值。另外，由自由空间衍射引起的二阶空间啁啾效应也会随着传输距离的增大而减弱。最后，由角色散元件引起的角色散效应并不会随着传输距离的变化而变化。

光栅扫描光谱仪的入射光线和出射光线的方向是固定的，在光栅转动下进行分光，这与光栅不动而入射光方向改变的分光方法不同。由光栅方程出发，计算出电脑自动控制多光栅转动的光谱仪测试系统的角色散率、线色散率和分辨本领，得出光栅扫描光谱仪的角色散率、线色散率和分辨本领等参数公式。所得结果与光栅不动而入射光方向改变的光谱仪的角色散率、线色散率和分辨本领不同。这为光栅扫描光谱仪的使用和研究提供了理论依据。

针对带宽为 20 nm 左右、中心波长为 1 053 nm 的线性啁啾宽带激光,分析了采用光栅角色散方式宽带二倍频的原理,讨论了光栅角色散性能及光栅加工误差引入的基频光位相扰动对二倍频光转换效率及聚焦特性的影响.研究结果表明:采用光栅角色散方式的宽带二倍频光的转换效率、脉冲宽度和带宽均明显增大;在 0～22 nm 基频光带宽范围内,二倍频光均可保持80%左右的转换效率;对于入射基频光带宽为 22 nm 的情况,光栅角色散率在30～80 μrad/nm 范围内变化时,宽带二倍频转换效率均可保持在70%以上;基频光有位相扰动时,二倍频光带宽对二倍频聚焦光斑的主瓣影响不大,但对旁瓣有一定的匀滑作用,采用光栅角色散方式宽带二倍频的聚焦光斑旁瓣的匀滑效果更为明显.

为了提高光谱仪测量谱线的精度,推导出计算机自动控制多光栅转动的光谱仪测试系统的角色散率、线色散率和分辨本领等参量公式,提出一种将两台光谱仪联合使用以提高谱线测量精度的测量方法。理论分析了两台光谱仪联合测激光线宽的原理,并用两台光谱仪联合使用对He-Ne激光谱线宽度进行了测量。实验结果表明,两台光谱仪联合测量He-Ne激光谱线的半峰全宽的放大倍数3.38×105,比单台光谱仪测量至少可以将谱线宽度的测量精度提高5个数量级。

声光偏转器作为扫描器件没有机械惯性,具有扫描速度快、稳定性好的优点,但扫描飞秒激光受限于声光效应与晶体严重的空间色散和时间色散。采用单个棱镜同时补偿了这两种色散,实现了飞秒激光的无惯性扫描,并成功建立了飞秒激光快速随机扫描显微成像系统。另外还发展了高斯飞秒激光经角色散后的时空演化理论。