反斯托克斯散射是频率上转换的四波混频效应, 通常反斯托克斯激光器的转换效率较低。因此, 通过理论优化指导实验对提高激光器的性能尤为重要。对平面波近似下的内腔式反斯托克斯激光器的速率方程进行归一化处理, 通过数值求解归一化速率方程组, 得到描述内腔式反斯托克斯激光器运行的一组普适理论曲线, 分析了复合归一化变量对内腔式反斯托克斯激光器性能的影响。并用实验数据对归一化理论进行了验证, 结果表明, 从归一化理论出发所估计出的内腔式反斯托克斯激光器的单脉冲能量、脉冲峰值功率和脉冲宽度与实际测量数据相符, 证明了所提的归一化速率方程组模型的正确性和可行性。

设计稳定可靠的THz激光器，缩小THz激光器的体积一直是THz领域的研究热点。基于速率方程组，建立了光泵THz激光器的理论模型。数值模拟和分析了不同工作温度、腔内压强、腔尺寸、泵浦光波动等因素对THz激光输出产生的影响。研究结果表明：泵浦光功率越高，THz激光输出对工作温度的变化越敏感，则越有必要建立稳定可靠的温度控制系统；在保持功率输出一定的前提下，通过适当提高THz激光腔内工作气体压强，可以缩小THz激光器的体积；泵浦光功率越低，THz激光的输出性能对泵浦光功率波动及频率漂移越敏感，此时，需要对泵浦光稳定性进行控制，更为关键的在于控制泵浦光的频率稳定性。

腔内倍频拉曼激光器是获得黄光激光光源的重要途径，目前尚未有直接的表达式描述连续腔内倍频激光器的功率输出对抽运和激光器参数的依赖关系。以速率方程为基础，对腔内倍频连续拉曼激光器的理论模型进行归一化处理，得到平面波近似下连续腔内倍频拉曼激光器的归一化速率方程组。对此方程组进行求解，得到描述激光器输出的表达式各变量以及参量与输出变量之间的归一化表达式，根据表达式获得了描述激光器运行的理论曲线。

针对脉冲周期在ms量级、脉宽为ns量级的高功率激光系统输出的短脉冲串，根据其周期性特征及放大过程的特点，在忽略损耗系数和自发辐射的情况下，将1个周期近似分为泵浦和放大2个阶段。运用端面泵浦瞬态速率方程组，导出了2阶段变换时刻所对应的上能级粒子数之间的半解析关系式。据此，在模拟光纤长度对增益影响的基础上，研究了2阶段腔内平均上能级粒子数密度随时间的周期性变化关系，定量分析了脉冲前沿消耗增益对脉冲后沿形状的影响。结果表明：光脉冲前沿增益可达29.22 dB，其后沿增益低至0.82 dB，光脉冲后沿波形必然存在畸变，验证了所得结论的合理性。

将倍频过程视为一种随基波光子数变化而变化的非线性腔内损耗, 对被动调Q四能级速率方程进行修正, 总结出了被动调Q绿光激光器的四能级非线性速率方程。通过数值求解, 对连续LD泵浦Nd∶GdVO4/Cr4+∶YAG/KTP和Nd∶YAG/ Cr4+∶YAG/LBO腔内倍频被动调Q绿光激光器的输出特性进行了数值模拟。通过与实验数据进行比较, 理论结果与实验数据相吻合, 证明此速率方程对腔内倍频被动调Q绿光激光器普遍适用, 所得结果对该类器件参数设计和优化具有指导意义和参考价值。

为了解决在平均场近似速率方程中自洽地由激光器腔内平均场来确定输出场的问题，以半导体激光器为例，采用集总形式的端面反射率，通过求解行波速率方程组，得出了半导体激光器腔内平均光子数密度与输出光子数密度的解析关系式.结果表明，半导体激光器输出场与腔内平均场之比是一个与泵浦电流有关的量，把它当成常数是有偏见的.

采用激光二极管( LD) 抽运c轴切割的Nd:GdVO₄晶体,声光调制器作为主动调Q开关,Cr4+:YAG饱和吸收体作为被动调Q开关,实现了声光Cr4+:YAG 主被动双调Q 1.06 μm 激光运转。实验结果表明,通过改变声光调制器和Cr4+:YAG饱和吸收体在谐振腔内的位置,可以有效地控制脉冲宽度,同时获得了双调Q激光的单脉冲能量、峰值功率的变化范围。根据ABCD矩阵传输理论计算得出的腔内模式半径沿腔轴的变化关系,考虑腔内振荡光强的空间高斯分布以及声光调制的渡越时间,给出了LD抽运声光Cr4+:YAG主被动双调Q激光的耦合速率方程组,理论计算与实验结果相符。

在考虑Cr⁴⁺∶YAG晶体激发态吸收的情况下，给出了Cr⁴⁺∶YAG被动调Q的Nd∶YAG激光器的速率方程组，从该速率方程组出发推导出了Nd∶YAG被动调Q激光器的输出能量、脉冲宽度和效率的解析解，并分析了各参量之间的相互耦合关系。结果表明，在考虑了Cr⁴⁺∶YAG晶体激发态吸收的情况下，理论上能够正确地反应出Cr⁴⁺∶YAG晶体的吸收特性，对设计和优化Cr⁴⁺∶YAG被动调Q激光器有一定的指导意义。

为了方便地对多点抽运光纤激光器的特性进行分析，采用保留上能级粒子再发射项主体部分的方法以提高精确度，解析求解了多点抽运掺镱光纤激光器的稳态二能级速率方程组，得到了光纤激光器的输出功率的近似解析解。并将输出功率的解析解与数值解进行了对比。结果表明，解析解与数值解差别小于5%。讨论了抽运光的利用效率与抽运点位置的关系，得到抽运源应该尽量靠近光纤端面的结论。同时，对比了单点抽运和多点抽运方案中抽运功率在光纤中的分布，可以看到，多点抽运时，抽运功率的分布较为均匀，能够缓解因包层对抽运光吸收引起的光纤局部过高的温升所造成的一系列问题，是实现大功率激光输出的良好选择。

为了求得用于研究双包层光纤激光器输出特性的更为精确的解析解，根据稳态速率方程组，针对典型的双包层光纤激光器参量，在估计了上能级粒子再发射项和抽运光产生的影响后，采用保留再发射贡献主导部分的办法以提高可积分近似方程的精确度，明确地提出了要获得光纤激光器输出功率的解析表达式的关键在于求出损耗系数与光场乘积的积分值，简洁地求得了输出功率和抽运光斜线效率的显函数解析表达式，并对其相关问题进行了讨论，以915nm，920nm和975nm的抽运光为例，当输出激光为1090nm时，得出975nm抽运光产生的斜率效率最高并可高达约87%。结果表明，所得解析解适用于研究腔长范围更广的光纤激光器的输出特性。