为实现电激励重频HF激光远距离传输，在较短的谐振腔内产生大模体积的高质量激光束，开展了激光器正支虚共焦非稳腔的结构设计、仿真计算和实验研究。仿真结果表明，随着放大率M的增大，远场光斑中心亮斑包含的能量逐渐增大，能量向中心转移，远场光斑尺寸和远场发散角也随放大率M增大而减小。实验结果表明: 随着放大率M的增大，远场光强分布、光斑尺寸和发散角变化规律与仿真结果一致，但输出激光能量以先增大后降低的规律变化。综合考虑高光束质量和高能量的指标要求，在流场正常工作情况下，当放大率M为3.0时，获得了远场发散角为2.37倍衍射极限和激光能量稍低于稳定腔(约为稳定腔激光能量的94.6%)的重频激光输出，满足激光远距离传输需求。

为了获得稳定的、大能量重频中红外HF激光输出, 基于紧凑型、闭环放电引发非链式HF中红外化学激光器, 从能量影响因素、解决措施和实验验证三个方面系统性地研究了100 Hz重频HF激光的能量稳定性。首先结合非链式HF化学激光动力学过程和静态重频实验, 分析发现了影响重频放电引发非链式HF化学激光器脉冲能量稳定性的三个主要因素, 包括均匀体放电难以维持、基态HF分子强的消激发效应和工作气体的持续消耗。然后利用工作气体循环流动置换增益区气体, 当增益区气体流速为9 m/s时激光器100 Hz重频运行的放电状态维持良好, 获得100 Hz/ 55 W的激光输出。最后, 采用分子筛吸附分离基态HF分子纯净工作气体以及实时补给工作气体, 提升了重频HF激光器长时间运行的能量稳定性。实验结果表明：100 Hz重频放电引发非链式HF激光器获得了30 s的长时间稳定输出, 激光能量下降率可优于10%。综合工作气体循环流动、分子筛吸附基态HF分子和工作气体实时补给, 放电引发非链式HF激光器实现了高重频长时间的稳定输出。

为了获得高重复频率高功率中红外氟化氢(HF)激光输出,采用自动紫外预电离和对称Chang氏电极结构,制备了闭环的非链式重复频率HF激光器,并对其进行了详细介绍。实验研究了激光器的输出特性和重复频率运行特性,获得了激光能量随重复频率的变化规律。在增益区气体流速为16 m/s,工作电压为25 kV,总气体压强为8.5 kPa、物质的量分数分别为92%和8%的SF₆和C₂H₆混合气体条件下,实现了重复频率为150 Hz、平均功率为200 W的HF激光输出。

放电引发非链式脉冲HF激光器在全谱输出条件下典型的输出谱线约16条,谱线集中在2.65~3 μm波段,大气中H₂O分子在2.7 μm附近的吸收带对HF激光能量衰减有较大影响。利用放电引发非链式脉冲HF激光器,获得了宽谱脉冲HF激光在空气中的吸收衰减规律。实验结果表明,全谱输出条件下脉冲HF激光在激光器出口处的吸收系数约为0.066 m ^-1,传输40 m后吸收系数降低到0.01 m ^-1附近。吸收系数随着传输距离的增加而减小,并趋于常数。通过对非链式脉冲HF激光2.8 μm以下输出光谱的抑制,在激光器出口处吸收系数减小到原来的1/3,约为0.022 m ^-1,一定程度上降低了空气吸收对激光能量的衰减。

研究了重复频率HF脉冲激光器的气体介质对激光输出能量稳定性的影响规律。计算结果表明,激光器放电区内SF₆的解离率约为1.5%(略高于实验测量值),工作气体介质的消耗速率为2.2×10 ¹⁵ (cm ^-3·s ^-1),但消耗量比气体的初始量小3~4个量级。通过合理控制激光器内HF的分子浓度,并适时补充激光器气体介质,可以提高激光器输出能量的稳定性。激光器输出能量变化分为过渡阶段和维持阶段,其中过渡阶段决定了重复频率工作模式下HF激光器的总体出光能力。计算结果可为重复频率非链式HF脉冲激光器设计提供技术支持。

研究了氟化氢(HF)分子浓度以及工作介质消耗对激光脉冲能量的影响。受激光器内基态HF分子对激光的再吸收以及对激发态分子强弛豫的影响,激光脉冲能量随着激光器内HF分子浓度的升高而明显下降,HF分子浓度每增加1×10 ¹⁵ cm ^-3,激光脉冲能量约下降1.15%。1个激发态HF分子约产生0.8个光子,放电区内SF₆气体的分解率约为1%,单次放电过程中激光器内所消耗的工作介质较少,约为气体总量的1/(2×10 ⁵)。实验结果表明:HF分子浓度对激光脉冲能量的影响较大,介质消耗对激光脉冲能量影响较小;通过在激光器内加入分子筛,可以将HF浓度控制在1.8×10 ¹⁵ cm ^-3的水平。在两个因素的共同影响下,激光脉冲能量下降率约为10%。

利用项目组研制的放电引发脉冲HF激光器,测量并研究了激光输出光谱的特性。结果表明:放电引发脉冲HF激光光谱的能量主要集中于v(3—2),v(2—1)以及v(1—0)三个振动跃迁辐射带,在2.65~3.05 μm波长范围内测量得到了13~16条主要的输出谱线,其中v(2—1)振动跃迁输出能量占比最大,在40%~50%之间。适当改变充电电压和工作气体总压力可以调节各个振动带输出能量的比例:v3振动能级输出能量的比例随着激光器充电电压的增加而增大,随着工作气体总压力的升高而减小,这与v1振动能级的情况相反。

处于3~5 μm波段的激光源在遥感、环境保护、医疗、通信和红外对抗等民用和军用领域都有广阔的应用前景。Fe2+:ZnSe晶体由于在材料特性和光学特性等方面都具有明显优势,是3~5 μm波段极具潜力的激光介质之一。在室温条件下利用自制非链式脉冲HF激光器作为泵浦光源, 对晶体直径为10 mm, 厚度1 mm, Fe2+离子掺杂浓度为3×1019/cm3的Fe2+:ZnSe晶体进行了研究, 获得了中心波长4 295 nm、最大输出能量78.8 mJ的中红外激光输出。输出激光能量相对于晶体吸收泵浦能量的转换效率为27.7%, 斜率效率达28.8%。采用小角度(3°)斜入射的方案很好地解决了Fe2+:ZnSe激光器谐振腔镜镀膜问题。

开展了分子筛对非链式电激励重频HF激光器中基态HF分子吸附技术研究，设计了新型的分子筛吸附装置，进行了大量的吸附实验，结果表明:3A分子筛为有效的吸附剂，实现了HF激光器在50 Hz/20 s条件下运行时平均激光能量下降率小于5%，大大提高了激光能量的稳定性，延长了激光介质的使用寿命。开展了激光器工作于不同频率条件下使用3A型分子筛吸附装置时的激光能量情况研究，并通过实验方法获得了3A型分子筛的再生活化方法。

Fe2+∶ZnSe晶体作为3~5 μm波段极具潜力的中红外激光介质之一, 在材料特性和转换效率等方面具有明显优势。对Fe2+∶ZnSe晶体的吸收特性进行了研究, 利用自制放电引发的非链式脉冲HF激光抽运Fe2+掺杂浓度为4×1018 cm-3、尺寸为10 mm×10 mm×5 mm的Fe2+∶ZnSe 晶体, 在室温下获得了65 mJ 的高能量Fe2+∶ZnSe中红外激光输出, 光光转换效率为31%, 输出激光能量相对于晶体吸收抽运光能量的斜率效率可达37%。