随着超快激光应用需求的不断增长，激光控制技术正面临越来越多的挑战，超短脉冲操控研究亟待取得进一步的突破与发展。在激光器谐振腔增益、色散、损耗、非线性等效应共同作用下，多脉冲展现出比单脉冲更为丰富的动力学现象。研究表明其内部脉冲间距、相对相位、脉冲个数等参量具有高度可控性，为提升多脉冲的操控维度提供了新思路。本文从超快激光多脉冲的操控机理出发，介绍了多脉冲动力学、实时观测技术及激光器控制方法，重点综述了基于增益调制、偏振控制、色散调控、光机械效应等多脉冲操控方案，分析了各方案的性能，并展望了多脉冲操控技术的发展前景。

耗散孤子共振脉冲(DSR)是锁模光纤激光器的一种特殊的输出脉冲，其脉冲宽度会随着泵浦能量的增加而线性增加，同时脉冲的峰值功率被钳制，因此脉冲能量也是线性增加的。随着锁模技术和稀土元素掺杂技术的发展，耗散孤子共振脉冲光纤激光器也发展迅速。对耗散孤子共振脉冲的研究背景进行了介绍，简要说明了脉冲的产生机理以及特性，列举了不同锁模机制下DSR光纤激光器的结构，最后对国内外的研究现状以及目前的应用方向进行了综合阐述。

非线性傅里叶变换可以将信号转换为包括连续谱和离散谱的非线性谱，其中离散谱的本征值位于复平面的上半部分。通过非线性傅里叶变换，信息被编码到信号的非线性谱中，可以实现信号和非线性积累的有效区分，从而解决标准单模光纤中出现的非线性传输损伤。同时，作为新型的信号分析工具，非线性傅里叶变换还可以用于分析光纤激光器中的孤子脉冲。对于纯孤子，其非线性谱仅包含离散谱，离散谱中的本征值对应于孤子的特征，其实部和虚部分别对应于孤子的频率和幅值。非线性傅里叶变换技术为激光动力学的研究提供了新视角，从脉冲的全场信息得到脉冲的非线性谱，进而根据不同的本征值分布分离孤子和连续波背景，就可以实现纯孤子的产生。本文综述了非线性傅里叶变换的原理及其在光通信和光纤激光器领域的应用，并介绍了基于非线性傅里叶变换的“孤子蒸馏”技术。

大功率射频板条CO₂激光器曾经是深熔焊接、切割的主力光源，目前主要用于超大规模集成电路晶圆退火。华中科技大学于2007年就开始了大功率射频板条CO₂激光器的研发，并进行大量的理论研究和产业化工作。本文介绍了射频板条CO₂激光器的国内外发展动态；重点分析了激光器的结构设计、(板条)面积放大、扩散冷却、激励电源、射频传输、阻抗匹配、射频气体放电等离子体、放电均匀性、电极热效应、非稳-波导混合腔、激光功率提取、输出光束特性、光束整形等核心技术；展望了射频板条CO₂激光器在超大规模集成电路晶圆激光退火中的重要创新应用。

光轴的平行性校准在多传感器光电系统中起着重要的作用。为了使被动光学设备的光轴校准满足广泛适用的需求,提出一种基于干涉条纹的光轴平行性校准方法。在平行光管法的基础上建立基准光轴,对接收光学系统反射形成的牛顿环干涉条纹进行拟合,从而计算光轴间的夹角。利用搭建的校准系统平台对激光测距机的发射光轴和接收光轴进行光轴的实际校准。实验结果表明:接收光轴与基准光轴的平行性测量精度优于5″,能够较好地满足校准多传感器光电系统的应用需求,验证该方法的有效性。所提方法的可视化校准过程可以提高校准效率,具有操作简单、实用性强和测量精度高的优点。

为实现不等壁厚复杂零件的激光增材制造,设计开发了一种基于自适应镜的可变圆光斑激光熔覆光学系统。系统由反射式抛物准直镜、反射式自适应镜和反射式抛物聚焦镜等组成。通过气压比例阀调节自适应镜腔内气压,改变自适应镜表面曲率半径,使光束以不同程度的会聚角或发散角入射到反射式抛物聚焦镜,从而改变作用在工件表面的激光光斑大小。建立了基于自适应镜变斑光学系统的物理模型,通过Matlab和Zemax软件仿真分析了自适应镜焦距的变化范围、反射式抛物准直镜与反射式抛物聚焦镜的焦距和位置,以及光纤激光光源参数等对系统变斑特性的影响。采用6 kW光纤激光器,按照变光斑、变功率、等速度、等功率密度的方案进行激光熔覆工艺实验,实现了壁厚由3 mm渐变到8 mm的椭圆形工件的激光熔覆增材制造。

提出一种通用的抛物带式矩形光斑积分镜,建立了分段抛物线匀化模型,推导了满足超精密车削加工的分段抛物线方程。该积分镜解决了传统直线带式积分镜在积分方向上匀化宽度太小的问题,可获得远大于输入光斑直径的匀化宽度,同时分析了该积分镜分割段数对输出光斑均匀性的影响。利用高斯光束行波传输方程,计算回转方向上的离焦光斑尺寸,解决了采用几何光学方法获得离焦光斑尺寸误差大的问题。设计了输出光斑尺寸分别为100 mm×3.2 mm和14 mm×3.3 mm的积分镜,采用Zemax和SolidWorks软件进行仿真,仿真得到的光斑尺寸分别为100.2 mm×3.2 mm和14.2 mm×3.3 mm。加工了14 mm×3.3 mm的积分镜,在3 kW光纤激光器上进行实验,测得的光斑尺寸为14.3 mm×3.3 mm,匀化方向均匀性为90%,满足激光加工应用要求。

为了满足不同材料、不同厚度板材加工的需求,设计了一种光斑大小和焦点位置可变的激光切割光学系统,该变斑变焦激光切割光学系统由复合准直镜组、变焦镜组、补偿镜组和聚焦镜组组成;采用在普通光学聚焦系统的准直镜组与聚焦镜组中间放置可调倍率扩束系统,再将准直镜组和可调倍率扩束系统合并成一个复合准直镜组的方案,简化了系统设计;建立了四镜组可变斑变焦光学系统的物理模型,推导了各镜组之间的移动规律,并利用MATLAB软件进行理论验证;在现有切割光学系统的基础上,设计一种变斑变焦激光切割光学系统,并利用软件优化像差。结果表明:通过移动变焦镜组和补偿镜组,得到了放大倍率为1.000~3.750、焦点上下可调范围为-20~+10 mm的焦斑,实现了焦斑大小和焦点位置的精准可调。

激光器的谐振腔在实际装配过程及运行过程中很难保证完全调准, 因此研究谐振腔的稳定性十分必要。采用“Rigord分析法”分析了抛物面镜离轴非稳腔和球面镜腔角度失调时功率提取效率的变化, 对腔长改变时两种谐振腔的输出特性进行了讨论, 同时研究了腔镜曲率半径增大的抛物面镜离轴非稳腔的稳定性。结果表明, 当失调角度在±6 mrad变化时, 抛物面镜腔的功率提取效率比球面镜腔高5.6%; 当谐振腔腔长的变化值在―1～1 mm的范围内时, 抛物面镜离轴非稳腔的功率提取效率比球面镜腔高3.5%; 当谐振腔腔镜曲率半径增加2 mm时, 抛物面镜腔的功率提取效率增加, 且抗失调特性更好。

非稳腔由于其良好的模式鉴别特性,且可获得接近衍射极限的输出束,因此在板条激光器及放大器中广泛应用。但非稳腔有多种不同结构,不同类型谐振腔的输出光束特性各不相同,因此对不同结构非稳腔特进行研究具有重大意义。采用Fox-Li迭代算法,数值模拟了对称正支和负支共焦腔,对称非稳腔和离轴非稳腔的输出特性,对不同结构谐振腔的稳定性进行了分析。研究结果表明,离轴非稳共焦腔输出光束远场分布能量更集中,且输出光束的M2因子仅为对称腔的1/5; 而离轴负支共焦腔的抗失调特性优于离轴正支腔。