基于描述光束传播的菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论, 运用快速傅里叶变换算法仿真了非稳腔DF激光的三维近场、远场光强分布。仿真结果显示: 非稳腔的近场输出光斑形状为中心对称的空心圆环, 远场输出光斑为具有中心亮斑的多级衍射环; 大M数将导致近场光斑能量集中, 大的Neq值将引起远场发散角变大。运用该算法研究了腔镜倾斜对近场光强分布的影响: 腔镜倾斜使光束近场分布变差, 倾斜角越大, 光强的非对称分布越明显。开展了非链式DF激光器非稳腔实验研究, 实验得到的近场、远场光强分布及腔镜失调下的近场光斑变化情况与数值模拟结果一致, 实验测量的远场发散角为1.2 mrad。文中的仿真结果可为DF激光器腔镜失调诊断及调节提供依据。

研究了工作气体分压比、总气压、充电电压及输出镜反射率对激光单脉冲能量、脉冲宽度及峰值功率的影响。实验结果表明：对于输出能量，工作介质SF6和D2的分压比为10∶1及输出镜反射率为30%时最佳，正常辉光放电状态下提高充电电压有利于增加单脉冲能量，且对于每个电压存在使能量最大的最佳气压值。激光脉冲宽度随工作气体分压比及总气压的增大不断变窄，但随充电电压和输出镜反射率的升高不断变宽。综合考虑输出能量和激光脉宽，激光峰值功率的总体变化趋势与能量一致，但二者取得最大值所对应的气体参数及输出镜参数存在差别。

为了探索氟化氘(DF)激光器级联效应及工作气体参数对激光光谱的影响，对自引发放电非链式脉冲DF 激光器进行了光谱特性测试。采用DF激光谱线分析仪和HgCdTe光电探测器测试了P3(7) →P2(8) →P1(9)光谱脉冲波形，发现P1(9)支谱线率先实现振荡输出，脉冲前沿延迟80~100 ns后P2(8)、P3(7) 两条谱线依次输出。在不同工作气体配比及总气压条件下测试了DF 激光输出谱线条数及各谱线间相对能量，在3.5~4.2 μm 光谱范围内测得了22 条激光跃迁谱线，且总气压为8.1 kPa，工作气体(SF6和D2)气压配比为6:1时，具有量子级联效应的P3(8) →P2(9) →P1(10)光谱串能量占总输出能量的25.9%。结果表明，多谱线DF 激光器能级间存在量子级联效应，通过优化工作气体参数可有效提升级联谱线输出时增益提取效率。

采用正支虚共焦腔型对非链式脉冲DF激光器进行非稳腔参数设计并开展实验研究，通过与平凹型稳定腔的对比，揭示了非稳腔在压缩激光远场发散角、提升光束质量方面的显著优势。选取能体现远场能量集中度以及实际光束与理想光束偏移程度的衍射极限倍数β为光束质量评价参数，实验中以86.5%环围能量定义光斑大小，并利用90-10刀口法测量光斑尺寸。通过对不同放大率及模体积的9组非稳腔实验结果的对比，得到了设计优化非稳腔结构参数的规律。综合输出能量、远场发散角、衍射极限倍数β三方面因素，得到了最佳非稳腔参数为放大率M=1.89，后反射镜口径D=40 mm，此时激光远场发散角（全角）为0.74 mrad，β=1.35，输出能量为1.86 J，峰值功率为16.4 MW。

3~5 μm中红外波段激光源是近年来备受国内外关注的研究热点, 本文综合评述了产生中红外波段激光的5种主要方法(CO2激光倍频技术、泛频CO激光技术、光学参量振荡器、氟化氘激光器、Fe2+∶ZnSe固体激光技术)的国内外发展现状, 总结分析了各种方法的关键技术和存在的问题, 指出了该技术的未来发展趋势。

依据非链式脉冲氟化氘（DF）激光器的反应机理，采用速率方程理论，建立了非链式脉冲DF激光器动力学模型。采用Runge-Kutta法对该模型进行数值计算，得到了最佳气体比例和最佳输出镜反射率参数。采用紫外预电离放电引发方式，对非链式脉冲DF激光器进行了实验研究，得到了激光器输出的主要技术参数，实验结果与理论计算结果相吻合。理论分析和实验结果均表明，可以通过优化工作气体比例和输出镜反射率参数来改善激光器的输出性能。在工作气体分压比为101、输出镜反射率为30%时,激光器输出性能最佳，此时实验得到的单脉冲激光能量为4.95 J，脉冲宽度为148.8 ns，峰值功率为33.27 MW。

为了提高非链式脉冲DF激光器注入能量和放电稳定性，研究了火花针紫外预电离放电引发非链式脉冲DF激光器的电路特性。通过分析工作气体中SF6分子的碰撞解离及其对电子的吸附过程，得到了电子连续性方程，结合放电回路基尔霍夫方程建立了描述DF激光器放电特性的数学模型。运用该模型模拟了预电离放电电压、主放电电压及电流随时间的变化关系，模拟结果较真实地反映了预电离放电与主放电之间的时间延迟、主电极间的击穿及自持放电等物理过程。利用非链式脉冲DF激光器样机对模拟结果进行了相应的实验验证，测量得到的主、预放电电压波形与修正后的模拟电压波形一致。进而运用该模型研究了主储能电容、延迟电感、锐化电容对放电特性的影响，得到了有助于提高DF激光器放电性能的电路参数。

采用紫外预电离的横向放电方式和稳定光学谐振腔, 使用无毒无腐蚀性的六氟化硫(SF6)和氘气(D2)作为工作物质, 研究了工作气体配比、总气压对放电引发非链式脉冲氟化氘(DF)激光器输出能量的影响。实验发现SF6与D2的最佳比例为10∶1, 最佳总气压为10.5 kPa。使用DF激光谱线分析仪对激光输出谱线进行了测量, 得到了17条P支跃迁谱线, 激光能量集中在3.876 μm附近的几条谱线。利用烧蚀光斑的方法测得输出激光束水平方向、垂直方向的发散角均为1 mrad。在最佳工作条件下, 充电电压为39 kV时, 激光单脉冲输出能量达到最大值3.58 J, 此时激光脉冲宽度为215 ns, 峰值功率为16.65 MW, 电光转换效率为2.08%。

针对传统聚光系统聚光倍数低、造价昂贵且结构复杂的弊端, 对高倍太阳能聚光镜进行了设计研究。利用卡塞格林结构具有高倍聚光及光束耦合的优点进行编程建模, 设计了新型高倍太阳能聚光镜, 给出了设计方法及运用光学软件ZEMAX以不同入射角度入射时的模拟结果。模拟结果表明, 设计的太阳能聚光镜消除了球差的影响, 在太阳光入射角为05°时, 实现有效聚光比为544, 光学效率为84835%。该聚光镜较传统聚光镜有更高的光学效率, 并且结构简单、价格低廉, 有望商业化。

采用谐振腔内插入声光调制器（AOM）的方法获得了小型CO2激光器的高重频、窄脉宽、高峰值功率输出。通过分析CO2激光器声光调Q的工作原理，利用基于小信号增益和饱和光强的耦合输出数学模型给出了激光器最佳输出镜透过率的数值解，并运用相关实验装置对该数学模型进行了实验验证。理论分析和实验结果均表明：该声光调Q CO2激光器的最佳输出镜透过率为39%。研究了激光器输出性能随脉冲重复频率的变化规律，当脉冲重复频率＞1 kHz时，激光器输出峰值功率下降，这与CO2分子上能级寿命有关，并受声光调Q开关热效应的影响。实验中获得的激光器脉冲频率在1 Hz～100 kHz可调。在脉冲频率为1 kHz时，获得的激光脉冲宽度为156 ns，脉冲峰值功率为10 kW，且稳定性较好，非常适合于作激光与物质相互作用的光源。