开发了由高重复频率（3 kHz）高能量（3 mJ）钛蓝宝石激光器驱动的极紫外和软X射线高次谐波激光光源。该光源系统在30 nm（光子能量为~45 eV）波长附近实现了大于120 μW的平均功率，在13.46 nm波长（光子能量为~92 eV）处实现了1.9 μW的平均功率，其中在13.46 nm波长处带宽为0.124 nm的单个谐波实现了0.32 μW的平均功率。此外，在该系统中，激光功率连续12 h的不稳定性均方根小于5%，连续8 h光束指向均方根小于10 µrad。该系统在生物成像、干涉光刻和芯片检测等领域中具有重要应用。

为实现激光损伤在线显微三维形貌的快速重构，提出一种基于小波变换的改进聚焦形貌恢复（SFF）算法。利用三维聚焦评价函数逐点反演深度信息，重构光学元件激光损伤三维形貌。采用激光损伤在线显微成像装置，利用所提算法对银反射镜表面激光损伤区域进行三维形貌重构。结果表明：所提改进算法的清晰度比率、灵敏度、平缓区波动量分别为2.608、0.131、0.356，对最大深度为169.8 μm的被测区域，测量相对误差为1.56%；相比传统方法，清晰度比率提升约1倍、灵敏度提升约3倍、深度测量相对误差降至1/10，平缓区波动量可以达传统方法的1.1倍。所提算法已用于在线显微损伤判别系统的研制，实现了激光损伤三维形貌在线快速重构测量。

高功率固体激光技术的发展史就是一部与“废热”的斗争史, 为抑制热效应对光束质量的不利影响, 先后出现了热容激光器、薄片激光器、板条激光器以及光纤激光器, 新的增益介质形态结合先进的散热技术将激光输出功率提升至百千瓦量级。固体激光增益介质的热学性能是限制激光功率进一步取得突破的重要瓶颈。因此, 寻找具备超高热导率的激光晶体材料意义重大。本文介绍了上述四种激光器的基本原理及其在高功率激光方面取得的研究进展, 从提高增益介质材料热导率的角度出发, 对目前已有的方法和研究成果进行了分析与总结, 对超热导激光晶体研究和高功率激光技术的发展进行了展望。

提出了一种千瓦级半导体激光器叠阵中单巴条的激光功率和光谱参量的集成测试技术。利用自主研发的光阑将激光器叠阵中任意单巴条的光束与其他巴条的光束分离，并利用积分球对分离出的单巴条光束的功率和光谱参量进行集成测试，再与整个激光器叠阵的功率和光谱参量的集成测试结果进行比对。实验结果表明：利用自主研发的光阑实现了将1 kW激光器叠阵中任意单巴条光束与其他巴条光束的分离，光阑对单巴条光束的透过率为98%；结合积分球集成测试系统实现了激光器叠阵中所有巴条的单独测试，解决了激光器叠阵中单巴条测试需要拆封的传统问题。此外该系统实现了对整个激光器叠阵的快速扫描测试，可直观反映激光器叠阵中每个巴条的情况。

交叉验证是用于验证模型性能的一种统计分析方法, 可避免由训练集与测试集重合引起的过拟合。 进行交叉验证时通常使用交叉验证均方根误差（RMSECV）的均值来表征多元素的分析准确度。 但对于激光诱导击穿光谱（LIBS）用于多元素分析的情况, 发现各元素的RMSECV与其在样品中的浓度范围可近似用线性关系表述, 由于不同元素在样品集中的浓度范围差异很大, 不同元素之间的RMSECV差异较大, 实验中C与Cr在样品集中的浓度范围差异为28.11倍, 其RMSECV差异达到8.96倍。 发现RMSECV均值对于个别元素过于灵敏, 在数据优化过程中, 可能导致其不能反映大多数元素的分析准确度变化趋势。 为减小RMSECV均值对不同元素的灵敏度差异, 更全面地表征多元素的分析准确度, 提出了多元素的RMSECV标准化方法, 即将各元素的RMSECV与该元素在样品集中的浓度范围相除, 并引入标准化交叉验证均方根误差（SRMSECV）的概念。 LIBS检测受测量条件波动（如激光脉冲能量、 振动等）等不确定因素的影响, 会引入异常光谱, 并对分析准确度产生负面影响。 为通过滤除异常光谱来提高多元素分析准确度, 利用光谱面积筛选对光谱数据进行预处理, 以同一样品下各张光谱的面积中位数为中心, 选定某一光谱面积区间, 舍弃该区间之外的光谱, 并使用余下光谱用作定量分析。 在此基础上, 通过对0.5 Pa真空环境下的10块Ni基合金中的14种元素成分进行的多谱线内标法定量分析展开实验验证。 标准化后各元素RMSECV的相对标准差（RSD）由68.7%减小至48.9%, 元素间的RMSECV的最大差异由8.96倍降低至3.93倍, 表明SRMSECV均值能够较全面表征多元素的分析准确度, 从而有利于实现定标曲线的全自动优化。 在优化面积筛选跨度下, 各元素定标模型的决定系数（R2）均值与SRMSECV均值都得到一定程度的改善, 证明光谱面积筛选对于提高多元素分析准确度的价值。

布鲁斯特角型偏振器在高功率激光系统有着重要的应用。为了真实反映布鲁斯特角型偏振器的性能, 分析并成功搭建了基于空气隙棱镜的消光比测量系统。采用光强同时测量的方法, 测量过程系统起偏器、样品、检偏器方位角固定, 引起误差的因素较少。通过限制入射光光束直径和探测器的位置, 提高检偏器反射出光方向的偏光性能, 提高测试精度; 在样品定位的过程中, 对光源进行实时监测, 降低测量随机误差。理论分析, 系统精度越高, 系统误差越大。当系统精度为 40 dB, 系统误差约 2%。对一样品进行 10次测量, 消光比平均值为 31.1 dB, 系统误差小于 1%, 随机误差小于 1%。

内标法是激光诱导击穿光谱(LIBS)最常用的定量分析方法之一。 为了提高定量分析精度, 研究了谱线强度比的相对波动特性随分析线和内标线之间激发能级差(ΔE)和波长差(Δλ)变化的规律。 在局部热力学平衡条件下, 建立了考虑等离子体中某元素电子上能级跃迁到下能级产生原子发射谱线的激发能级差、 等离子体温度、 配分函数和离子密度等强度影响因素的数学模型, 对模型中激发能级差对谱线强度相对波动的影响进行了研究。 得到在-2 eV<ΔE<2 eV和等离子体温度范围在3 000～15 000 K条件下, 谱线强度随着ΔE和T变化的趋势: 随着ΔE变大, 谱线强度比呈上升, 在ΔE=2 eV, T=3 000 K时谱线强度比最大; 并且谱线强度比相对波动对ΔE和T敏感, ΔE趋近于零时相对波动变小, T对谱线强度比相对波动影响变化不大, 整体趋势平稳。 在T=10 000 K时, ΔE<0相对波动比ΔE>0时小, 因此理论上优先选择ΔE<0的谱线对。 通过理论分析得出|ΔE|越接近于零, 谱线强度比相对波动越小。 实验装置中采用工作波长1 064 nm, 脉冲能量85 mJ, 重复频率1 Hz, 脉冲宽度13 ns的Nd∶YAG脉冲激光诱导击穿样品; 采用工作波长200～975 nm, 光学分辨率优于0.05 nm的Andor公司Mechelle 5000光谱仪, 配合Andor New iStar型号ICCD采集光谱; 利用激光诱导铁基合金等离子体光谱进行验证。 实验中, 以Fe为内标元素, Cr和Mn为分析元素。 筛选NIST谱线库中跃迁概率在106以上的谱线, 并优先选择共振线能级差相近的非共振线进行对比分析。 结果表明, 选择激发能级相近或波长相近的谱线作为分析谱线的原则有一定的局限性。 对于Cr和Fe, |ΔE|在0.14和1.51 eV时得到的谱线强度相对标准偏差(RSD)分别为6.7%和4.6%, 其谱线强度比理论值和实际值之差分别为1.14和0.59; |Δλ|在11.7和50.8 nm时得到的RSD分别为6.3%和4.4%, 其谱线强度比理论值和实际值之差分别为1.69和0.62。 分析表明, 相比于波长差, 激发能级差对Cr/Mn相对波动影响较大。 分析元素Cr/Mn与内标元素Fe波长差绝对值不断增大, RSD反而不断减小; 在1.50 eV和90 nm较大约束范围内, |ΔE|大的谱线得到的谱线强度比相对波动相对较小, Cr和Fe的RSD最大相差为2.06%; |Δλ|大的谱线得到的谱线强度比相对波动相对较小, Cr和Fe的RSD最大相差为1.35%。 由以上实验结果得出, 在实际选择分析谱线时, 尽量选择激发能级和波长相近的谱线原则有一定的局限性。 |ΔE|或|Δλ|大的谱线得到的RSD较小, 选择谱线强度比理论值和实际值最接近的谱线可以作为谱线选择依据。 另外, 选择谱线强度比理论值和实际值最接近的谱线, 可以降低谱线强度比相对波动。

为了实现对飞秒激光器产生的超短脉冲的进一步压缩, 对近年来出现的一种新型负曲率空芯光纤展开了研究, 并基于该光纤对800 nm飞秒激光进行了压缩实验。首先介绍了一种圆形玻璃管包层结构的负曲率空芯光纤, 通过有限元方法对光纤的损耗特性进行计算, 并与实验测试结果进行对比。然后利用广义非线性薛定谔方程对脉冲在光纤中的传输进行了模拟仿真。最后利用该光纤进行了超短脉冲压缩实验, 将脉冲宽度为160 fs的钛宝石飞秒激光耦合进一段充高压氩气的圆形玻璃管包层结构的负曲率空芯光纤, 通过光纤内反常色散和自相位调制的共同作用, 得到84 fs的输出, 实现脉冲的压缩, 实验结果与仿真计算一致。这种新型的负曲率空芯光纤损伤阈值高、色散、非线性系数小且灵活可调, 非常适用于超快领域研究。