提出了一种X波段过模低磁场高效率相对论返波管振荡器（RBWO），其主要结构包括一个双谐振腔反射器、一个周期性慢波结构和一个插入式同轴内导体模式选择器。该RBWO采用了过模结构，较大的过模比带来了更高的功率容量。慢波结构分为空心与同轴两部分，插入同轴避免了高阶模式的竞争，使两段慢波结构分别工作在TM₀₂和同轴TM₀₁模式下。同时，插入同轴还起着模式转换的功能，将TM₀₂转化为TM₀₁，最终在输出波导中输出纯TM₀₁模式。双谐振腔反射器使慢波结构在过模条件下与二极管区域能够实现良好隔离，同时为电子束提供足够的预调制，实现在低磁场下较高的微波转化效率。利用粒子模拟仿真对器件进行优化设计，在二极管电压850 kV、束流11.74 kA、引导磁场0.63 T的条件下，获得了3.5 GW的微波输出功率，微波中心频率为9.46 GHz，转换效率约为35%。

利用不同阶拉盖尔-高斯（LG）模式激光具有不同光束尺寸的特性，在激光谐振腔内使用短焦距透镜引入球差，使各阶LG模式激光的空间光路发生分离，从而实现对高阶横模的选择并产生高阶LG模式涡旋激光输出。通过对高阶LG模式激光的聚焦特性和透镜球差进行分析计算，给出了高阶LG_0，±m模式涡旋激光的角向指数（m）随谐振腔参数变化的理论模型。搭建端面泵浦的1064 nm Nd∶YVO₄激光器开展了实验研究，在2.06 W泵浦功率下获得了角向指数可便捷调控且m最高可达到280的超高阶LG_0，±m涡旋激光输出。实验产生的超高阶涡旋激光具有良好的功率和模式稳定性，模式变化规律与理论计算结果相符。通过增加泵浦功率或优化泵浦交叠以提高激光增益，理论上可以产生任意高阶的涡旋激光输出。研究结果为超高阶LG模式涡旋激光的产生提供了参考。

根据全反射棱镜式环形激光器(TRPRL)的矩阵光学理论和环形He-Ne激光器内环形激光的工作理论,研究了TRPRL的激光模式选择技术方法,可令环形激光器内的顺时针和逆时针两个方向上的激光工作在单谱线、单横模、单纵模的状态,从而在环形激光器内形成稳定的驻波,输出到光电探测器上稳定的干涉条纹信号波形。采用缩短TRPRL的毛细管直径方法,可抑制3.39μm谱线; 由于TRPRL的特殊的环形激光器结构,采用分立式特殊结构设计的选频光阑,选频光阑可以放到环形激光器的光路任意位置处,而多个选频光阑即可有效抑制1.15μm的谱线; 根据不同波长激光腰斑半径的不同,在光腰处采用特制的椭圆小孔光阑,抑制0.63μm激光的高阶横模。对于TRPRL在全反射棱镜式激光陀螺(TRPLG)中的应用具有重要意义。

针对七芯大模场多芯光纤进行选模方式的研究，分别研究了传统塔尔伯特腔选模方式与微芯径选模方式。以七芯光纤为例，对传统塔尔伯特腔选模方式进行理论分析与仿真，对多芯光纤中各个超模与其他模式的耦合因子进行分析。另外分析了一种新型选模机制，即利用微芯径光纤进行选模。并与传统塔尔伯特腔进行比较，证明微芯径光纤选模机制对多芯光纤中同相位超模的选择更方便简单，在实际应用中具有很大潜力。

基于腔内球差选模方法在端面泵浦的 Nd:YVO4激光器中实现了能够对角向指数 m进行便捷选择的高阶 LG模式激光输出, 从 LG模式光斑半径和能量分布的角度对实验现象进行解释, 分析发现不同模式间球差引起的实际焦点偏离是实现单一 LG模式运转的关键, 而单一模式自身球差产生的损耗决定了该模式是否能够起振。根据理论分析, 分别通过使用长焦距透镜减小球差以降低高阶模式的损耗和增加泵浦功率以提高增益, 实现了角向指数 m最高达到 ±95的超高阶 LG模式输出; 通过使用短焦距透镜增大球差来加强对光斑较小的低阶模式的区分度, 实现了径向指数 p>0的 LG模式输出。

随着通信行业的快速扩张以及光互联、片上实验室等技术的发展,人们对激光器等器件集成化、小型化的需求日益增长。半导体纳米线激光器由于其独特的一维结构与灵活的带隙调控性能等特点,在微纳激光器领域受到广泛研究。实现单模输出的半导体纳米线激光器,对光互联、传感、光谱学以及干涉测量等领域具有重要意义。综述了单模半导体纳米线激光器的基本技术与研究进展。介绍了半导体纳米线激光器的常用材料,并利用圆介质波导模型分析了其基本模式特性,详细阐述了半导体纳米线实现单模激光输出的主要方法以及发展现状,并对各方案面临的挑战进行了总结。

实验研究了平行光注入下多横模1 550 nm垂直腔面发射激光器(1 550 nm-VCSEL)输出的非线性动力学特性．对于一个在自由运行时腔内同时存在基横模和一阶横模(高阶模)的1 550 nm-VCSEL, 其两横模的主激射模均为Y偏振模式(Y-LP), 当受到偏振方向沿自由运行时主激射模式偏振方向的外部光注入(即平行注入)时, 实验研究结果表明: 当平行注入光的频率νinj更临近基横模Y-LP频率νfy时(此时频率失谐Δνf定义为Δνf=νinj－νfy), 在注入光强度Pinj增加的过程中, 基横模Y-LP呈现多种动力学状态, 而高阶模Y-LP出现的动力学状态相对较少, 且能量逐渐减小．当Pinj增加到一定值时, 高阶模Y-LP完全被抑制, 此时1 550 nm-VCSEL处于单模工作状态, 即实现了基横模Y-LP的模式选择．随Δνf的逐渐增加, 实现基横模Y-LP模式选择所需的最小注入光强度Pinj, min先减小, 达到一个最小值后再逐渐增加; 在给定的Δνf条件下, Pinj, min随偏置电流I增加而增大．当平行注入光的频率νinj更靠近高阶模Y-LP的频率νhy时(此时频率失谐Δνh定义为Δνh=νinj－νhy), 在Pinj增加的过程中, 高阶模Y-LP和基横模Y-LP均呈现出多种非线性动力学状态, 但实验过程中未观察到基横模Y-LP完全被抑制的现象, 即未实现高阶模Y-LP的模式选择.

研究了一种用于大气激光通信自适应调制编码技术中的模式选择阈值的选取算法。分析了大气弱湍流信道性能, 并对高斯信道中阈值选取算法进行修正, 提出了一种信噪比-湍流强度选择方法来确定阈值区域模式, 并给出了阈值选取方程。分析了湍流强度分别为0, 0.1, 0.2, 0.3时3种传输模式下自适应调制编码系统的误码率, 得到了最大误码率为10-4的条件下3种模式选择的信噪比与湍流强度阈值区域的对应关系。仿真结果表明, 所提方法可行且能够准确地进行模式选择。

提出了被动调Q激光器谐振腔中的相邻两个纵模之间的建立时间之差的解析表达式，并给出了可以有效预测小增益以及初始反转粒子数比阈值粒子数大若干倍情况下单频激光运转的概率的方法。为了证实理论预测，采用腔长11 cm以Cr4+YAG晶体被动调Q的NdYAG激光系统进行了实验验证，实验结果很好地证明了根据相邻纵模建立时间差所分析出的单频运转的概率，以及在一定条件下被动调Q激光器能在无腔内选模元件的情况下稳定地输出单纵模脉冲。