等离子体电极普克尔盒(PEPC)用作多程放大控制、自激振荡抑制以及反激光隔离，是大型高功率固体激光器的核心器件。本文从高功率固体激光器的发展对光开关提出的要求出发，系统地综述了等离子体电极普克尔盒的性能特点以及研究进展。重点介绍了中国工程物理研究院激光聚变研究中心近年来在PEPC研究方面所取得的进展，包括单脉冲驱动的组合口径PEPC、低损耗PEPC以及重复频率运转的PEPC。

理论设计和制作了Yb∶YAG陶瓷板条,通过铟砷化镓(InGaAs)二极管抽运、1030 nm种子激光注入以及双程放大,在室温下实现了高功率的1030 nm激光输出。种子激光注入功率为1.18 kW和总抽运功率为19.98 kW时,获得了5.97 kW的放大激光功率,光-光转换效率约为24.0%,斜率效率为27.9%。测量了Yb∶YAG陶瓷板条的透射波前,模拟了不同耦合效率和温度时的输出功率。实验结果表明,室温下Yb∶YAG在高亮度抽运和高亮度种子光注入时可以实现高功率的激光输出。

理论分析了影响二极管端面抽运Nd∶YAG板条激光放大器放大效率的因素, 设计了主振荡功率放大板条连续激光器。使用1064 nm窄线宽光纤激光器作为种子源, 采用两个Nd∶YAG板条激光放大器先串接再双程放大的技术路线。两个Nd∶YAG板条激光放大器的尺寸结构完全相同, Nd∶YAG板条的尺寸均为150.2 mm×2.5 mm×30 mm, 每个板条都是半导体激光器阵列双端抽运。放大器抽运源总功率为21.6 kW时, 实现了5.4 kW连续激光的输出, 光-光转换效率为24.8%, 光束质量β为3.5。在输出光路位置使用狭缝空间滤波器, 光束质量β可以提升到2.5。

以Nd∶YAG平面波导为激光放大器增益介质, 研究了1064 nm激光在放大过程中光光效率的影响因素; 采用基于棒状Nd∶YAG的1064 nm自由运转振荡器为种子源, 放大器抽运源为808 nm半导体激光器阵列, 抽运光脉宽与种子光脉宽相同且同步输出; Nd∶YAG平面波导的尺寸为60 mm×10 mm×1 mm, 芯层厚度为100 μm。对比研究了种子光能量、抽运能量和抽运方向对激光放大效率的影响。结果表明, 当注入种子光能量为10 mJ时, 实现了100 Hz脉冲重复频率下最大能量为713 mJ的准连续激光输出, 此时的抽运能量为1478 mJ, 对应的光光效率为47.6%。

研究了一种准连续工作下二极管抽运的高功率高效率Nd:YAG平面波导激光振荡器。实验采用尺寸为1 mm×10 mm×60 mm的平面波导作为增益介质, 搭建平平腔实验装置, 研究了平面波导激光器在不同输出镜透射率和不同重复频率下的激光输出特性。实验结果表明, 当输出腔镜透射率为79%时, 在重复频率为500 Hz、工作电流为200 A下, 获得1064 nm激光的平均输出功率为441 W; 在5种不同重复频率下获得最大单脉冲能量为928 mJ, 此时有效光光效率为53.2% 。输出激光脉冲波形与抽运光脉冲波形完全一致, 脉冲宽度都是240 μs。通过系统优化改进, 该激光器输出功率有能力进一步提升。

研究了高功率端抽运Nd∶YAG板条激光器的退偏特性。使用高功率偏振片和90°石英旋光片, 实现了对高功率板条激光器输出激光的偏振状态控制和退偏补偿, 有效提升了激光器线偏振光输出功率,改善了线偏振光近场光强分布的均匀性。实验结果表明, 通过优化偏振补偿, 输出线偏振激光功率由8.7 kW提升至9.6 kW, 退偏率由30.8%降至3.1%。

针对光纤法布里-珀罗（F-P）压力传感器，建立了考虑热应力和残余气压的F-P腔长变化模型，进行了热应力和残余气压对传感器温度性能影响的理论分析。分析表明，热应力和残余气压的引入使F-P 腔长改变量与温度的线性关系发生了变化，在外界施加100 kPa 压力，当腔内残余气压小于0.87 kPa 时，热应力起主要影响作用；当腔内残余气压大于0.87 kPa时，残余气压起主要影响作用。制作了三种不同残余气压的光纤F-P 压力传感器，在-20 ℃~70 ℃温度范围进行了实验研究，结果显示测量的腔长及其温度灵敏度随温度变化关系与理论分析基本一致。