High-power femtosecond mid-infrared (MIR) lasers are of vast importance to both fundamental research and applications. We report a high-power femtosecond master oscillator power amplifier laser system consisting of a single-mode Er:ZBLAN fiber mode-locked oscillator and pre-amplifier followed by a large-mode-area Er:ZBLAN fiber main amplifier. The main amplifier is actively cooled and bidirectionally pumped at 976 nm, generating a slope efficiency of 26.9%. Pulses of 8.12 W, 148 fs at 2.8 μm with a repetition rate of 69.65 MHz are achieved. To the best of our knowledge, this is the highest average power ever achieved from a femtosecond MIR laser source. Such a compact ultrafast laser system is promising for a wide range of applications, such as medical surgery and material processing.

设计并实现了重复频率在10 Hz~10 kHz可调的1550 nm微秒矩形脉冲光纤放大器。该光纤放大器采用双级主振荡功率放大（MOPA）全光纤结构，采用声光调制器对信号光进行调制，通过对泵浦驱动和信号光调制的脉冲波形及时序进行优化，实现了峰值功率为30 W、脉冲宽度为10 μs~1 ms、重复频率在10 Hz~10 kHz范围可调的微秒矩形脉冲放大激光输出。通过优化信号光脉冲和泵浦脉冲时序有效抑制了光纤放大过程中的放大自发辐射，通过对信号光的脉冲波形进行预整形获得了较好的微秒矩形脉冲输出。

结温升高是影响主控振荡放大(MOPA)半导体激光芯片输出功率的重要因素，为解决MOPA芯片的多电极封装和高效散热问题，提出了一种正装和热扩散辅助次热沉相结合的封装结构。建立了该封装结构的3D热模型，对比研究了倒装封装结构、正装无辅助次热沉结构与正装有辅助次热沉结构对MOPA半导体激光器结温的影响。计算结果表明，采用正装有辅助次热沉结构与倒装封装结构散热性能接近，且显著优于正装无辅助次热沉结构，结温降低幅度最高可达40%。另外，采用正装有辅助次热沉封装结构的MOPA半导体激光芯片在连续工作条件下输出功率为10.5 W，谱宽可实现半高全宽小于0.1 nm，中心波长随电流的变化约14 pm/A，实现了10 W级MOPA芯片的封装，验证了该封装结构的有效性。

报道了基于掺Yb³⁺石英有源光纤的高峰值功率脉冲单频激光主振荡功率放大器（MOPA）。实验研究了主放大器中有源光纤长度对脉冲单频激光峰值功率、受激布里渊散射（SBS）阈值和光-光转换效率的影响，为优化激光器的转换效率和抑制SBS效应提供了依据。当使用的有源光纤长度为0.9 m时，21 W泵浦功率下脉冲宽度为2.4 ns、重复频率为20 kHz的1064.4 nm脉冲单频激光的平均输出功率为4.37 W，且没有明显的连续波放大自发辐射（ASE）成分，对应的单脉冲能量为0.22 mJ，峰值功率可达91 kW。最大输出功率时脉冲单频激光光谱线宽为279 MHz，光信噪比为45 dB，光束质量因子M²为1.44。

高功率窄线宽光纤激光器在非线性频率转换、光谱合成以及相干合成等领域有着重要的应用前景。本文基于自研的复合腔结构窄线宽振荡器作为种子，采用单级主振荡功率放大技术（MOPA），实现了5 kW高效率的近单模窄谱激光输出。通过优化振荡器的时序特性和放大级结构，受激拉曼散射、光谱展宽和热致模式不稳定效应得到综合抑制。在最高功率时，信号光的3 dB和20 dB线宽分别为0.48 nm和2.1 nm，放大器的斜率效率约为86.1%，拉曼抑制比为28.3 dB，光束质量M²约1.35。本研究工作对于高功率窄线宽光纤激光的发展和研究具有重要的指导意义。

低噪声激光器是空间激光干涉仪引力波探测器的核心组件之一，激光器的输出功率、强度噪声、频率噪声等性能直接影响空间引力波探测器的灵敏度。空间引力波探测器对激光器的结构设计、噪声水平等提出了严格的要求。本文介绍了空间引力波探测器的目标和对激光器的要求，分析了激光器噪声性能对探测器灵敏度的影响，梳理了国内外典型探测任务中低噪声激光器研究进展，比较了不同激光器的噪声性能。最后，阐述了强度噪声抑制和频率噪声抑制的原理和进展，并对国内空间引力波探测用的低噪声激光器的研究进行了展望。

在主振荡功率放大系统工作时，由于增益饱和现象的出现，经常会使输出脉冲发生较大形变，偏离种子激光时域波形，导致输出脉冲波形不可控制。为了得到特定脉冲时域波形，研究者们提出了主振荡功率放大时域整形技术。本文介绍了不同时域整形理论模型的计算方法和实验研究进展，并且指出主振荡功率放大时域脉冲整形技术有望实现更灵活、更精细、更大脉宽范围的脉冲波形输出控制。