翠绿宝石晶体的热透镜效应会严重影响激光器的输出性能。首先通过建立晶体的热传导模型，合理设定边界条件并求解相应的热传导方程，对造成热效应的三个因素进行分析，计算了相应因素下热焦距的理论值。然后，利用谐振腔的临界稳定条件，对晶体的热焦距进行测量，测量结果与理论计算值基本吻合，证明利用谐振腔的临界稳定条件测量F-P腔的热焦距是可行的。最后，对不同腔长下的输入输出特性进行了分析，详细解释了在热效应的复杂影响下输入-输出曲线中的凹陷现象。在计算出最大抽运功率下的热焦距后，调整相应腔参数，可以使激光腔在整个抽运功率范围内处于稳定状态。研究结果对于减少热透镜效应的影响、提高激光器的性能具有重要的指导作用。

为了使半导体激光器输出高功率、高光束质量的激光,垂直外腔面发射激光器(VECSEL)应运而生。本文通过对激光器谐振腔的稳定条件进行计算,并结合实验估算出VECSEL中增益芯片的热透镜在泵浦功率为31.3 W时的热焦距在45.7 mm到53.6 mm之间。实验过程中观测到增益芯片的荧光光谱随观测角度变化的现象,并提出一种通过观测增益芯片在不同角度下的荧光光谱来直接估算VECSEL的调谐范围的方法,用所提方法测得增益芯片调谐范围为995~1030 nm。

为了满足基于泰伯-莫尔条纹长焦距测量技术在测量激光材料热效应等效热焦距时对测量速度的需求，提出了一种莫尔条纹倾角快速求解算法。在对传统频域迭代法测量速度影响因素分析基础上，基于迭代运算坐标值相似性和离散傅里叶变换可分离性，将频谱值求解过程中包含小数值的坐标点进行公共项分离,公共部分采用傅里叶变换指数项进行滤波，不同部分在提取相似项的基础上进行组合运算，将2维条纹图像傅里叶变换降为1维进行处理；同时相关指数项被限定在极小的可知范围，极大地方便了查表运算和位运算的采用。结果表明，采用相同配置计算机，在保证测量精度的前提下，将完成一次测量的测量时间从15s降低到0.4s，测量速度提高了38倍。该算法很好地满足了激光材料热效应等效热焦距参量快速测量的应用需求。

为了优化高功率板条激光器的光束质量, 采用提高单侧基模光束的尺寸来限制腔内部分高阶模式振荡的方法,针对半导体侧面抽运板条激光器, 测量了激光器在抽运状态下水平和竖直方向热焦距, 建立了热透镜等效模型, 并以平-平腔为参考, 设计了水平和竖直方向单侧基模尺寸均会扩大的平-凹腔。验证了对于激光介质截面尺寸固定的板条激光器, 扩大单侧基模尺寸可以限制高阶模式从而优化光束质量, 并提出了进一步优化板条激光器性能的研究方法。结果表明, 当平-凹腔的腔长为370mm时, 输出功率为59.9W, 水平方向M2因子由平-平腔的115.6显著优化至32.9, 竖直方向M2因子由116.4显著优化为60.9。该研究对于板条激光器获得高质量输出及相关应用有实际意义。

为了精确测量激光晶体的动态热焦距, 提出了一种指示光偏振变换测量方法。基于几何光学成像理论, 建立了热透镜动态热焦距的表达式。将准直的指示光往返两次通过具有热透镜效应的激光晶体, 利用偏振变换的方法使测量光束有效的从光路中分离出来, 采用CCD相机对被测光束进行探测。搭建了激光晶体的动态热焦距的实验测量装置, 分别测量了端面泵浦和侧面泵浦两种工作状态激光晶体的动态热焦距, 最后分析了实验测量的误差。结果表明: 利用指示光偏振变换法测量激光晶体的热焦距, 测量误差仅为0.8 mm, 能够满足激光器谐振腔设计要求。

根据Nd:YAG晶体侧面抽运下径向和切向热焦距的不同，以及半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动锁模条件，利用激光二极管(LD)侧面抽运Nd:YAG四镜折叠SESAM被动锁模腔，在腔内无偏振选择器件条件下，实现锁模径向偏振光输出。模拟计算了径向偏振态和角向偏振态光斑大小与抽运电流之间的关系，分析给出了实现SESAM稳定锁模的条件，通过放置适当孔径的光阑，获得了最大输出功率为13 W、偏振态纯度大于92%、重复频率为59 MHz的1064 nm锁模径向偏振光。

针对角抽运复合板条激光器提出了一种新颖的热焦距计算方法。考虑到传统计算方法中一般采用均匀分布或指数衰减分布来表征热源分布，计算出的热焦距与实验值相差较大，不利于腔型设计的情况，采用Tracepro光学追迹软件追迹抽运光被耦合进入板条角面后，经过多次全反射在激光介质内传播的全过程，得到激光介质内热源的精确分布，求解稳态温度分布，再求出热透镜焦距。采用新方法计算出的热焦距与实验结果吻合良好，精确度明显高于传统方法。新方法简单实用，普适性强，可广泛应用于其他各类常见固体激光器。

理论分析了Er:YAG激光晶体的热退偏效应，模拟计算了该晶体棒端面退偏的分布，并进行了偏光干涉实验验证。结果表明，数值模拟和实验结果完全一致，热退偏效应随抽运能量增大而增强，退偏分布呈十字形，最大退偏发生在晶体棒端面上与起偏器偏振方向成45°方位处。同时，还阐明了一种利用临界稳定腔来测量灯抽运脉冲Er:YAG激光器有效热透镜焦距的简单方法，测量出不同抽运功率下Er:YAG晶体的等效热焦距。

通过对半导体端面泵浦棒状Nd∶YAG晶体的热效应进行了理论分析, 研究了端面抽运圆形截面激光晶体内部温度场,建立了符合条件的激光晶体热模型。考虑晶体侧面与冷却液之间的对流传热, 以及晶体端面与外界非绝热边界条件,从而建立更为合理的边界条件, 得出更符合实际的晶体的温度分布场。研究结果表明, 考虑端面的对流传热后, 计算的晶体中心温度降低, 而相应的热焦距稍有增加;空气传热系数增加时, 晶体中心温度明显降低, 热焦距显著增加, 减弱了晶体热效应。

为了提高固体激光器的热稳定性和光斑质量,讨论了LD泵浦三镜折叠腔绿光激光器的热焦距与泵浦功率、激光晶体长度、泵浦光发散角以及泵浦光聚焦位置的关系。利用谐振腔内往返传输矩阵算法,计算了在不同热焦距下,腔内元件不同长度时,其上的基模半径,理论上很好地实现了输出光斑的像散补偿。在532nm绿光实验中,以Nd∶YVO4为增益介质,5mm和10mm KTP为倍频晶体,获得较好的光斑质量和较高的光-光转换效率,最高达17.8%。