激光自诞生以来就在众多领域中有着广泛应用，激光碎石技术就是其中之一。相比目前激光碎石技术的“金标准”钬激光器，掺铥碎石光纤激光器在近些年不断发展，而且逐步被证明可实现更快的碎石速率与粉末化碎石、产生较小的碎石反推力、允许更高的液体灌溉速率等手术优点，同时整机系统支持免水冷工作、高电光效率运转、全光纤高效耦合以及大幅度体积缩减，因此受到了越来越多的关注。本文从连续性、准连续型和纳秒短脉冲型掺铥光纤激光器三个角度出发，详细总结了掺铥光纤激光器的部分重要研究进展及其在碎石领域的研究，介绍了掺铥光纤激光器用于碎石的优势与原理，并展望了未来研究的方向和挑战。

从被动调Q速率方程出发，理论上研究了准连续波激光二极管（LD）泵浦Yb∶KYW/Cr⁴⁺∶YAG激光器时泵浦参数对脉冲输出特性的影响，通过数值计算解析了调Q脉冲延时、脉冲宽度、子脉冲序列等特性与泵浦速率的关系，从而获得最优化泵浦光占空比，有效减少连续波泵浦产生的热效应。进一步，在实验上采用高重频LD泵浦源，通过调控泵浦参数实现了被动调Q激光的重复频率、脉冲延时、脉冲串子脉冲个数等输出特征的准确锁定和控制。当采用泵浦功率为15.6 W、占空比分别为6.50%、8.00%和9.65%时，获得单脉冲、双脉冲和三脉冲的稳定输出，提高了泵浦脉冲和激光脉冲的耦合共振，实验结果与理论计算吻合较好。

设计了一套紧凑型高温激光二极管阵列端面泵浦电光调Q Nd:YAG激光器.为使激光器整体结构紧凑，以高温激光二极管阵列作为泵源以有效地降低Nd:YAG激光器散热压力.利用Ansys软件对高温激光二极管阵列工作时的温度场进行模拟.使用基于K9玻璃材质的导光锥将泵浦光耦合进Nd:YAG晶体内.利用Traceproc软件模拟了导光锥前后端面的光场分布.采用5 mm×5 mm×40 mm、掺杂浓度为1.0 at.%的Nd:YAG晶体作为增益介质，利用Ansys软件对200 μs，250 μs泵浦脉宽条件下的晶体内部温度场分布进行模拟并计算了激光器工作时的热透镜焦距.结果表明，本文设计的紧凑型激光器可以实现稳定的脉冲激光输出.在重复频率20 Hz，泵浦源电压脉冲宽度250 μs、300 μs条件下，获得了单脉冲能量44.1 mJ和50.2 mJ的单脉冲输出，对应脉冲宽度分别为18.3 ns和21.3 ns，斜效率为12.35%和12.24%.

本文设计了一种紧凑型端面泵浦电光调Q Nd∶YAG激光器。为实现激光器整体结构紧凑, 以快轴准直后的半导体激光器叠阵(Laser Diode Arrays,LDAs)作为泵浦源。使用焦距分别为40 mm和25 mm的球面镜和柱面镜将泵浦光耦合至Nd∶YAG晶体内。利用Tracepro软件模拟了晶体入射端面和出射端面的光场分布。在采用Ф6 mm×30 mm、掺杂浓度10at.%Nd∶YAG晶体作为增益介质时, 入射与出射泵浦光斑分别为5 mm(慢轴)×45 mm(快轴)和3 mm(慢轴)×6 mm(快轴), 吸收效率为83%。利用Ansys软件模拟了在22 ℃和60 ℃条件下Nd∶YAG激光器壳体在360 s内的温度场动态分布。实验结果表明, 本文设计的紧凑型激光器可以实现稳定的脉冲激光输出。在重复频率分别为30 Hz和50 Hz条件下, 获得了单脉冲能量为30 mJ和25 mJ的单脉冲输出, 对应脉冲宽度分别为18 ns和16 ns, 斜效率分别为116%和1471%。实验结果表明, 本文设计的紧凑型激光器可以实现稳定的脉冲激光输出。

自行研制出钛宝石晶体抽运的波长为532 nm的全固态高功率激光器,实现了高功率、高转换效率的可调谐钛宝石激光输出。使用3列重复频率为1 kHz的激光二极管阵列对称式抽运Nd∶YAG晶体,通过调Q及腔内倍频,获得功率为37.8 W、波长为532 nm的抽运光,每个激光二极管的抽运脉冲包络内包含5个调Q脉冲,单脉冲宽度为90 ns,重复频率为5 kHz。采用该绿光抽运钛宝石晶体,获得733.5~871.1 nm波长范围内的连续调谐激光,在771 nm处获得的输出功率最大,为8.26 W,光-光转换效率高达42%,脉冲宽度为14 ns,30 min内输出功率稳定性优于±4.4%。

在开采煤矿的生产活动中, 遇到煤矿爆炸或地震、 地质等自然灾害, 会导致坍塌、 掩埋、 堆积等情形, 进而形成复杂的封闭环境。 如果发生人员被困等突发情况, 破灾救援、 挽救生命工作显得至关重要。 封闭环境中O2的浓度随时间的变化直接威胁到被困人员的生命安全, 及时掌握被困人员所处环境的O2浓度变化对破灾救援机器人作业实施有着非常重要的指导意义。 为准确测量O2的浓度, 以封闭室内O2为研究对象, 综合应用可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)技术和波长调制光谱(WMS)技术, 设计了一套准连续调制激光吸收谱实验测量O2浓度系统, 对24 h封闭室内O2的浓度随时间变化情况进行测量研究。 实验结果表明, 封闭室内O2的浓度受到室内人员活动的影响, 准连续调制激光吸收谱测量方法可以准确测量封闭室内的氧气变化。