为了对Yb∶YAG晶体荧光性能进行调控以使其更好地应用于高能脉冲型激光器, 结合密度泛函理论和晶体场理论, 对掺杂调控后的Yb∶YAG晶体的电子结构、光谱学性质进行了理论计算, 分析了不同粒子掺杂和占据格位情况下Yb∶YAG晶体的荧光性能, 并在此基础上计算配方完成晶体生长实验、制备样品进行荧光性能测试验证。结果表明, 通过以上过程掌握了Yb∶YAG晶体荧光寿命等参数的调控方法, 共掺Cr后的Yb∶YAG荧光寿命可以从1.18 ms降低至0.94 ms。该研究为Yb∶YAG晶体实现高能脉冲激光应用奠定了理论和实验基础。

采用纳秒激光脉冲对铜金属进行了打孔实验, 对微孔形貌进行了观察并对其热力学过程进行了相应的分析。 研究表明, 微孔的形貌是由凹坑和周围隆起组成, 坑深随着脉冲能量的增加而增加。 热力学分析表明, 激光辐照金属打孔需要两个基本条件: 一是激光脉冲能量的沉积, 使金属材料发生熔化、 汽化以及电离等相变, 使得材料更容易去除; 激光等离子体作为二次热源会更有效把激光脉冲能量耦合到金属表面; 二是激光等离子体的冲击波效应, 这种效应会把发生相变的材料有效及时排出, 从而有效形成微孔。

为了实现2μm激光输出, 采用周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体用于光参变振荡(OPO)产生2μm激光的方法, 从PPLN晶体的Sellmeier方程出发, 考虑三波相互作用需满足的动量守恒和能量守恒条件, 进行了理论分析和数值计算, 得到在120℃时, PPLN晶体的极化周期为31.35μm的理论值; 绘制出了输出波长与极化周期、输出波长与入射角的关系曲线; 并从相位同步因子sinc2(ΔKl/2)出发, 分别计算了允许角、允许周期、允许温度。结果表明, 此方法不仅克服了利用双折射特性和色散特性方法带来的走离效应, 而且还充分利用了晶体的最大有效非线性系数, 从而理论上提高了转换效率。该理论分析为PPLN-准相位匹配-OPO输出2μm激光的下一步实验奠定了基础。

高能重复激光脉冲对光学元件损伤点的产生和扩展与损伤点对后续激光脉冲光强的调制作用密切相关。 观察激光诱导K9玻璃的损伤点, 发现损伤点是从里到外呈现辐射状分布, 内部损伤程度最大, 可致充分断裂; 向外损伤程度减小, 呈现辐射的应力相变, 引起折射率变化; 对损伤点的透射光谱检测发现其透过率下降大于20%, 但是下降的幅度与波长无关, 说明充分断裂的材料会对激光进行充分吸收, 类似黑体吸收, 其对入射光的吸收只与损伤点的面积有关。 CCD对激光通过损伤点后的光强分布探测发现: 在激光能量传输过程中, 损伤点会导致光强分布的不均匀, 存在明显的散射效应, 这会引起激光光强分布的不均匀性, 导致损伤区域的进一步扩散。

高阈值的KTP晶体的研发, 对高能激光领域至关重要。 采用高重复频率的紫外激光对KTP进行烧蚀, 并对烧蚀前后的Raman光谱进行分析, 研究发现: 激光等离子体效应是造成晶体破坏的主要原因, 其逆韧致吸收效应会大大增加激光脉冲能量的沉积, 电离效应使得晶体发生充分的离解, 高压冲击波效应则把熔化、 气化以及电离混合物外排的同时, 使得材料发生断裂。 烧蚀前后的Raman光谱的特征峰分布基本相同, 说明烧蚀作用没有改变KTP材料的整体结构。 但是, 特征峰的对比值(RIR)都发生了改变, 且有所展宽, 说明烧蚀后结晶度降低。 其中TiO6和PO4等主要氧多面体的特征峰向低波数漂移, 说明材料的键合力消弱, 更易发生离解。

为了分析CTH∶YAG激光器在受激跃迁时的温度特性，从速率方程中腔内光子数密度出发，考虑CTH∶YAG的准三能级特性以及Tm-Ho准热平衡体系的影响，定义了相对振荡效能参量。采用数值模拟的方法，分析了相对振荡效能的温度特性，得到了其温度变化曲线。结果表明，CTH∶YAG的相对振荡效能是温度的非线性减函数，且存在截止温度使腔内振荡无法产生；截止温度与Tm-Ho准热平衡体系的储能成正比，相对振荡效能也随Tm-Ho准热平衡体系的储能的增大而增大。这一结果为CTH∶YAG激光器受激跃迁的温度特性提供了理论依据，对改善其工作特性和优化输出结果具有指导性意义。

针对参量振荡过程中铌酸锂表面的增透薄膜的损伤问题, 采用了XRD光谱法和形貌观测法对激光诱导薄膜损伤的形貌及其物理过程进行了深入地分析. 观测发现： 薄膜损伤点的特征是膜面出现凹陷的点坑, 周围分散着由厚到薄变化的沉积层, XRD光谱检测显示出现了薄膜材料的晶化. 利用杂质缺陷诱导薄膜损伤模型对以上损伤的形貌成因进行了分析. 研究表明： 杂质粒子对激光脉冲能量的强烈吸收会引起邻近光学材料的迅速熔化、 汽化和电离, 形成复杂物态结构混合物; 在激光等离子体冲击波作用下, 混合物发生喷溅扩散形成凹陷坑. 在扩散冷却过程中沉积物会发生结晶, X射线衍射显示出薄膜材料SiO2晶态的衍射峰.

为了研究非线性晶体KTiOAsO4的光参量振荡特性，根据动量、能量守恒定律和晶体色散方程，采用计算机数值模拟方法，对晶体的相位匹配、增益、有效非线性系数、走离角及允许角曲线进行了理论分析；当晶体采用Ⅱ类相位匹配方式，切割角度为θ＝90°，φ＝0°时，室温下得到了闲频光波长3463nm，最大单脉冲能量大于22mJ，脉宽不大于35.3ns，束散角不大于8.9mrad，脉冲重复频率为1Hz～40Hz。结果表明，KTiOAsO4晶体性能优良，非常适合中红外激光输出，为将来输出高能量、高峰值功率中红外激光奠定了基础。

对基于KTA (KTiOAsO4, 砷酸钛氧钾)晶体的中红外2 μm光参量振荡器的输入镜膜层损伤现象进行了初步分析及对比实验研究, 表明薄膜缺陷导致的热效应是造成输入镜膜层损伤、抗损伤阈值低的主要原因, 同时发现由于腔镜失调等原因造成的腔内残余1.06 μm激光是造成膜层损伤的主要来源, 这些结果对改进光参量振荡器系统设计、进一步提高2 μm激光输出能量具有一定的指导作用。

为了研究Cr，Tm，Ho∶YAG激光器输出脉冲能量和晶体温度的关系，利用有限元的方法计算了不同制冷温度和抽运功率情况下晶体内温度的分布，从而分析温度分布对激光实验输出的影响。控制制冷液温度在15℃、重频5Hz时，获得最大能量为217mJ的脉冲输出，斜效率约为1．4%；而重频10Hz时，最大单脉冲输出仅为56mJ，斜效率约为0．9%。结果表明，制冷温度和频率的增加都将大大增加激光的抽运阈值，同时降低输出效率。