为了解决在大尺寸非平整刚性衬底和易碎衬底上高效低成本批量化制造大面积微纳结构这一难题, 提出一种面向大面积微结构批量化制造的复合微纳压印光刻工艺。阐述了复合压印光刻的基本原理和工艺流程, 通过实验揭示了主要工艺参数(覆模速度、压印力、压印速度、固化时间)对于压印结构的影响及规律。最后, 利用课题组自主研发的复合压印光刻机, 并结合优化的工艺参数, 在3种不同的硬质基材(玻璃、PMMA、蓝宝石)上实现了微尺度柱状结构(最大图形区域为132 mm×119 mm)、微尺度光栅结构(最大直径为1524 cm的圆形区域)和纳尺度柱状结构(图形区域为47 mm×47 mm)的大面积微纳结构制造。研究结果表明, 提出的复合微纳米压印工艺为大面积微纳结构宏量可控制备、以及大尺寸非平整刚性衬底/易碎衬底大面积图形化提供了一种全新的解决方案, 具有广阔的工业化应用前景。

冲量耦合特性研究是分析激光清除空间碎片方案的基础。因大气传输效应和衍射极限等因素的影响,激光辐照到空间碎片上的光斑尺寸与厘米级碎片尺寸通常在一个量级,且空间碎片大多由爆炸解体和碰撞等原因产生,为非平面状,因此研究激光大光斑辐照非平面状碎片的冲量耦合特性是激光清除空间碎片的关键。以典型非平面状空间碎片(球体、正方体)为例,以碎片表面任一面积微元上的烧蚀反喷方向为微元表面垂直方向、任一面积微元上的冲量耦合系数与点辐照下的相同为前提,以积分角度推导了面积矩阵法。基于该方法研究得到了在大光斑辐照下,当激光能量密度或入射激光能量一定时,光斑尺寸和激光入射角度对冲量大小和方向的影响规律。该研究成果进一步丰富了激光清除空间碎片的理论,为激光清除空间碎片的方案设计提供了一定的理论指导。

研究了激光二极管端面抽运非平面环形腔(NPRO)激光器，获得了1.254 W的1064 nm单频可调谐激光输出，斜率效率为51.5%，在1 h测试时间内的功率稳定度为±0.8%。对输出激光的光束质量进行了测量，两方向的光束质量因子分别为M2x=1.16和M2y=1.05，采用拍频法测量表明激光线宽小于2 kHz。通过对激光晶体的温度控制实现了18 GHz的频率变化，在无跳模情况下，连续调谐系数约为-2.9 GHz/℃。通过光纤延迟自拍法对激光频率的短期稳定度进行了测试，获得激光器在100 ms积分时间内的频率稳定度为4.7×10-12。

激光陀螺应用过程中磁效应引起零偏的变化对陀螺精度会产生重要影响。对于激光陀螺的磁效应，建立了理论模型，分析了产生磁效应的诸多因素。分析结果表明，谐振腔光路的轻微非共面是激光陀螺磁敏感产生的主要原因，可以通过调整一个腔平移镜的轴线方向来减小光路的非共面角，进而达到减小激光陀螺磁灵敏度的目的，并通过实验验证了上述结论。

为了分析光轴在单块晶体加工过程中镜面失谐的自洽特征，建立了非平面环形腔镜面倾斜的数学模型，利用增广的光线矩阵讨论了光轴变动。结论显示：当存在距离误差时，不会影响光轴闭合；当输入输出耦合面设计成曲面时，能实现光轴自洽闭合；当它为平面时，静态分析表明，如果两个对称全反面的失谐角度满足特定关系，能再次实现光轴的闭合。如果失谐角度不满足对应关系，对称失谐和减小失谐量能减小耦合点偏离距离。动态分析过程则给出了一个更加合理的分析加工容差方法，同时为实验的调光过程提供了理论指导。

本文建立了环形激光器输出光椭圆度的数学模型, 计算分析了输出片的应力作用对顺时针和逆时针方向输出光椭圆度的非对称影响。搭建了环形激光器双光路稳频系统, 测量了顺时针和逆时针方向的输出光椭圆度。从理论和实验上证明了在输出片应力作用的影响下, 通过测量顺时针和逆时针方向的输出光椭圆度进行调腔的方法不能实现环形激光器的非共面控制。

提出了一种基于双镜环行光路的新型非平面多程激光放大器，它具有结构简单、体积小、空间对称性好、调节容易、光通放大次数多的优点。信号光束在放大器腔内沿着立体环行的非平面空间对称路径多次通过激光介质被放大，可在小型激光介质中获得高功率的放大激光输出。对放大器腔内光路进行了理论建模和参量分析，给出了部分光路模式的模拟图，分析了光路损耗与功率放大；初步设计了基于Yb:YAG薄片和激光二极管(LD)端面抽运的全固态非平面多程薄片激光放大器，适用于高功率激光放大。

研究了单块晶体成腔的单频非平面环形腔(NPRO)固体激光器，在1.83 W的808 nm抽运功率下输出激光1.01 W，斜率效率达到60%。采用拍频的方法对激光线宽进行了测试，激光线宽小于2 kHz。通过抽运电流反馈控制使弛豫振荡峰得到超过30 dB的抑制；通过对激光晶体的温度调节和压电陶瓷电压调节实现了激光器频率的慢调谐和快调谐，温度慢调谐变化10 ℃时激光频率变化范围超过15 GHz；压电陶瓷快调谐范围超过±200 MHz，在大于200 MHz的范围内响应时间达到45 μs。

报道了激光二极管(LD)抽运的单块非平面环形腔可调谐单频激光器的实验结果。采用LD抽运单块非平面环形腔Nd∶YAG激光晶体，分别获得了1080 mW和580 mW的1064 nm和1319 nm激光输出，对应的光-光转换效率分别为40.9%和14.3%。用法布里-珀罗(F-P)扫描法测量了激光的输出模式及线宽，对应的两种输出均为单横模、单纵模运作，其线宽分别为Δν1064 nm=41 MHz和Δν1319 nm=150 MHz。对两种输出的光束质量进行了测量，其光束质量因子分别为M21064 nm=1.14和M21319 nm=1.15。对两种激光的温度调谐特性进行了测量，1064 nm单频激光的调谐范围48.2 GHz，平均调谐精度1.42 GHz/℃；1319 nm单频激光的调谐范围12.7 GHz，平均调谐精度2.92 GHz/℃。