为了实现高功率Yb∶YAG激光器的高效冷却，对大口径片状Yb∶YAG激光器的水冷结构进行了设计，采用有限元方法对该结构的传热效果进行了数值模拟，得到了该结构的表面对流传热系数、换热面的温度分布等参量。结果表明，该设计可以得到均匀的传热系数分布和温度分布，传热系数达到1.8×104W/(m2·K)，介质表面温差在1K以内，换热效果良好。

为了分析低温Yb:YAG放大器的放大特性，基于Yb离子抽运动力学及脉冲放大特性，对低温下Yb:YAG激光放大器的放大性能进行了理论研究，计算了不同晶体尺寸、不同掺杂浓度、不同温度以及不同抽运功率密度下的放大性能，建立了低温下热分析三维模型，对低温热管理效果进行了数值模拟。结果表明抽运功率密度、激光晶体尺寸、工作温度等参数对激光器效率均有显著影响，在100~300 K的温度范围内随着抽运功率的增大，最佳工作温度逐渐上升，不同尺寸的晶体在相同抽运功率密度下，最佳工作温度也不同。在低温强抽运条件下，较厚晶体的热管理效果优于较薄晶体。

采用理论与实验相结合的方法研究了激光二极管阵列泵浦的Cr4+:YAG被动调Q Nd：YAG激光器的输出特性。重点分析了调Q晶体小信号透过率和反射镜的反射率对激光器的输出能量、脉冲宽度的影响。对数值模拟结果进行了实验验证，数值计算与实验结果基本一致。研究结果表明，在特定的激光晶体参数下，Cr4+:YAG被动调Q激光器的输出能量与脉冲宽度由调Q晶体的小信号透过率和输出镜的反射率决定：输出能量随着小信号透过率增加而减小，对应于一个调Q晶体透过率，有一个最佳反射率使输出能量最大；脉冲宽度随着初始透过率与反射率的增大而增大。of Cr⁴⁺:YAG passively Q-switched laser

利用非均匀掺杂的设计思想，针对正面抽运、背面冷却的有源反射镜放大器结构中不同激活离子掺杂分布的介质进行了模拟计算，分析并比较了传统均匀掺杂介质与非均匀掺杂放大介质中的温度、温度梯度、应力、应变以及波前畸变的分布。结果表明，与传统均匀掺杂介质相比，非均匀掺杂放大介质内的温度、温度梯度、应力、应变与波前畸变均有明显的降低。模拟结果证明，非均匀掺杂可以改善有源反射镜放大器构型冷却与产热异面的问题，可以有效地提高放大器增益介质热管理性能，为进一步讨论基于非均匀掺杂的放大介质的热管理优化提供了基础。

为实现重复频率大能量激光输出,基于Yb:YAG激光介质低温下良好的热特性和激光特性,设计了12 kW高功率激光二极管(LD)阵列泵浦的V型腔低温Yb:YAG激光器(液氮温度)。对于泵浦耦合系统和散热结构两个关键点,分别使用光线追迹方法和有限元方法进行了分析,提出了楔形真空窗口和低温热管等解决方案。模拟结果表明,该设计的激光器热效应较低,可实现重复频率大能量输出。

氙灯抽运将导致钕玻璃内的不均匀温升,由此带来空间频率较低的热畸变,成为整个光路中最主要的畸变源。研究了400 mm口径4×2组合式片状放大器的动态热畸变问题。初步研究结果表明,在现有抽运结构下,抽运能量导致钕玻璃片表面最大温升约为0.85 ℃;由此引起钕玻璃片的“S”形变,最大形变大约为1.7×10-6 m,最大应力约为65 kPa,整个动态波前畸变约为0.3λ,与美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的实验值相符。在目前的抽运结构下,动态波前畸变满足设计要求。

为研究激光二极管抽运的大能量重复频率Yb:YAG激光器的关键单元技术,建立了焦耳级10 Hz“V”型有源镜(AM)构型Yb:YAG激光器。设计了一套空心导管抽运耦合系统,获得了90%的抽运耦合效率。设计了水冷增益介质的热管理方案,10 Hz自由振荡模式工作时获得3.3 J激光输出,光光转换效率27.5%,相对1 Hz重复频率工作(4.4 J)能量仅下降了25%。对“正”、“背”面抽运两种构型的实验研究结果表明,“正”面抽运对介质热效应的抑制弱于“背”面抽运,与计算结果一致,但“正”面抽运效率高,无镀膜难题,更有利于工程化。

为了提高抽运效率、改善抽运均匀性、克服热退偏的影响,建立了一套V型有源镜构型热容激光器,采用数值模拟与实验研究相结合的方法,对激光介质热分布进行了研究。数值模拟充分考虑了内热源的分布不均匀性,分析了激光介质的3维热分布。实验中采用热像仪对激光介质的表面温度进行了无接触测量。数值计算和实验研究结果具有较高的一致性。研究结果表明,该激光器构型对于提高热分布均匀性有较大的帮助。

采用940 nm InGaAs激光二极管(LD)阵列端面抽运片状Yb∶YAG晶体, 谐振腔采用V形有源镜构型, 实现了1030 nm红外激光输出。实验中分别测试了激光器在不同重复频率(1 Hz, 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz)条件下的激光输出特性。当输出耦合镜的反射率为73%, 在抽运能量为7.6 J(功率密度为13 kW/cm2) 时, 1 Hz重复频率输出稳定运行于2.43 J, 光-光转换效率为32%, 斜率效率为54.5%; 10 Hz重复频率输出稳定运行于1.76 J, 光-光转换效率为23.2%, 斜率效率为43.3%。

利用光线追迹法为12 kW激光二极管(LD)阵列抽运的Yb∶YAG激光器设计了一套空心导管型耦合系统并开展了耦合实验, 以研究大功率LD阵列端面抽运结构的高效耦合技术及模拟设计方法。基于LD结构和发光特性, 以高斯型微激射元为基本单位建立单条LD和LD阵列光源模型, 设计了由透镜和镀银板构成的抽运光汇聚传输系统。实验结果表明, 该耦合系统实现了对抽运光的高效耦合, 且强度分布与模拟结果一致。该耦合系统传输损耗低, 反射板的反射率为94%时耦合效率达92.3%; 输出光束具有良好的传输性能, 有效抽运区域接近理论值, 且增益介质表面分布均匀, 满足实验要求。