为了获得结构紧凑、光束质量高、光轴稳定性好的机载激光辐射器, 采用LD端面抽运构型与正交直角棱镜腔技术对该型激光器进行研究, 基于琼斯矩阵理论分析了特殊波片实现调Q关门的原理, 通过带曲率设计的直角棱镜腔镜,将腔型控制在大基模尺寸, 并实验对比了正交偏振关门与特殊波片关门两种方式。结果表明, 在正交偏振关门状态下, 20 Hz的工作重频时获得了单脉冲能量72.2 mJ、光束质量Mx2=8和My2=6的激光输出;基于K9玻璃的直角棱镜材料, 利用0.648λ波片进行调Q关门, 在20 Hz的工作重频下, 获得了单脉冲能量80 mJ、光束质量Mx2=5.7和My2=4.8的高光束质量输出, 其中激光器在x与y方向上的发散角分别为1.65 mrad和1.35 mrad。这一结果对高性能小型化激光器的研发是有帮助的。

基于能量均分方法, 根据经典热传导和热弹性理论, 建立了激光二极管端面抽运梯度浓度掺杂棒状激光介质的数值模型, 考虑到梯度浓度掺杂激光介质端面与空气的对流换热和激光介质材料的热力学参数的温度相关性, 运用有限元法, 得出了单一浓度掺杂、2阶阶变梯度浓度掺杂、5阶阶变梯度浓度掺杂和理想梯度浓度掺杂四种掺杂结构激光介质内吸收系数、抽运光吸收功率、温度、热应力和应变的空间分布。结果表明, 采用梯度浓度掺杂结构可以大大提高激光介质内抽运光吸收分布的均匀性, 5阶阶变梯度浓度掺杂激光介质的最高温度、最大主拉应力和最大主应变分别为单一浓度掺杂激光介质的42.6%、31.9%和28.1%, 可见明显减小了热效应的影响。理论分析结果可为激光二极管抽运梯度浓度掺杂激光器的合理优化设计提供数据理论支撑。

报道了基于磷酸钛氧铷(RTP)晶体的内腔式级联拉曼激光输出特性。采用半导体激光端面抽运声光调Q Nd:YAG晶体产生的1 064 nm激光作为基频光, 尺寸为4 ×4 ×20 mm3、沿x轴切割的RTP晶体作为拉曼增益介质。分别对X(ZZ)X和X(YY)X几何配置的RTP拉曼激光系统进行实验研究。X(YY)X几何配置的拉曼增益相对较低, 导致腔内不同非线性频率变换过程的竞争, 只测量到对应光参量振荡激光的输出。在X(ZZ)X几何配置下成功获得了271 cm-1和687 cm-1两个拉曼频移共同参与级联拉曼激光输出。高阶Stokes光随着抽运功率的增加而依次出现。在10 W入射抽运功率和15 kHz脉冲重复频率下, 获得了总平均输出功率480 mW, 转化效率4.8%的多波长激光输出。波长涵盖了1 000~1 200 nm之间各阶Stokes光。

为了优化MgO∶PPLN连续光参量振荡器(OPO)的输出特性, 对三镜直腔结构的内腔式OPO系统进行腔结构设计, 对其同时输出高效的信号光和闲频光进行研究。采用半导体激光端面抽运Nd∶YVO4晶体实现连续的1 064 nm激光为基频光。对比分析了基频激光腔和OPO腔各腔镜分别采用平面镜或平凹镜的三种腔型结构的激光输出特性。基于30.5 μm的极化周期和12.4 W入射抽运功率时, 获得了最高输出功率3.92 W(信号光2.6 W和闲频光1.32 W), 转化效率31.6%的激光输出, 对应的信号光和闲频光的中心波长分别为1 549 nm和3 394 nm。结果表明三个腔镜均采用平凹镜时, 可有效的压缩基频激光腔在MgO∶PPLN晶体上的光斑, 提升基频激光的功率密度, 而且基频激光腔和OPO腔的基模光斑在MgO∶PPLN晶体上更好的匹配, 从而提升变频效率。

高峰值功率以及高光束质量的激光光源在激光加工等领域具有重要的应用价值。利用重复频率为50 kHz、脉宽为3.9 ps、平均功率为10.9 mW的光纤种子光源, 经过两级固体双通放大, 最终得到平均功率为27.65 W, 峰值功率达到65 MW的激光输出。第一级放大器为端面抽运Nd∶YVO4放大级, 第二级放大器为侧面抽运Nd∶YAG放大级。通过利用球差补偿理论设计的双通放大结构以及调节放大级中的填充因子, 控制最终激光输出的光束质量, 得到输出激光的光束质量因子M2=1.30。

对激光二极管端面抽运NdYAG/Cr4+∶YAG/YAG键合晶体的1 064 nm被动调Q激光性能进行了研究.对比分析了Cr4+∶YAG晶体初始透过率分别为84.9%和90.6%的调Q激光输出特性, 以及不同耦合输出镜透过率对调Q性能的影响.结果表明, 在特定抽运功率下, 各输出特性参数的优化(高输出功率, 高重复频率, 窄脉冲宽度)分别对应一个最佳的输出镜透过率; 随着抽运功率增加, 对应最佳的输出镜透过率越大.对比两种初始透过率的Cr4+∶YAG晶体对应的激光输出特性, 84.9%初始透过率的晶体获得相对较低的平均输出功率, 但相应的重复频率较小, 脉冲宽度窄, 使得调Q激光的峰值功率明显提高.采用30%透过率的耦合输出镜和10.4 W入射抽运功率下, 获得了3.2 W平均输出功率、9.7 ns脉冲宽度和52 kHz重复频率的激光输出, 经计算可知峰值功率达6.3 kW.

对微片激光晶体的实际工作特点进行分析, 根据热容激光器的管理模式, 建立抽运和冷却阶段的晶体热模型。然后引入变热传导系数对方程进行求解, 分别得到激光二极管(LD)单端抽运和冷却时热容激光器温度场的表达式。并对光斑半径和抽运时间这两个影响晶体温度场的因素进行了分析, 计算结果表明：当Nd∶YAG晶体热导率分别为常量和变量时, 其抽运端面的最大温升分别为459.24 ℃、535.78 ℃。其中晶体钕离子的质量比为1.0%, 微片尺寸为Φ20 mm×1 mm, 抽运功率为60 W, Nd∶YAG晶体对入射抽运光的吸收系数是910 m-1, 超高斯光束阶次为3, 抽运光的光斑半径为800 mm。计算分析结果对LD端面抽运固体热容激光器谐振腔的设计具有借鉴意义。

以Nd∶YAG平面波导为激光放大器增益介质, 研究了1064 nm激光在放大过程中光光效率的影响因素; 采用基于棒状Nd∶YAG的1064 nm自由运转振荡器为种子源, 放大器抽运源为808 nm半导体激光器阵列, 抽运光脉宽与种子光脉宽相同且同步输出; Nd∶YAG平面波导的尺寸为60 mm×10 mm×1 mm, 芯层厚度为100 μm。对比研究了种子光能量、抽运能量和抽运方向对激光放大效率的影响。结果表明, 当注入种子光能量为10 mJ时, 实现了100 Hz脉冲重复频率下最大能量为713 mJ的准连续激光输出, 此时的抽运能量为1478 mJ, 对应的光光效率为47.6%。

利用双包层掺镱光子晶体光纤(DC-PCF)作为增益光纤, 设计制作了全光纤双包层光子晶体光纤放大器。实验制作了匹配DC-PCF的(6+1)×1端面抽运耦合器, 6根抽运光纤采用包层直径、纤芯直径分别为105 μm和125 μm（数值孔径为0.22）的多模光纤, 信号光纤采用普通单模光纤。利用套管法制作端面抽运耦合器, 并将制作完成的耦合器与DC-PCF直接熔接, 再对光子晶体光纤进行锥棒熔接, 锥棒输出端面镀1000~1100 nm的增透膜, 以防止激光反馈对整个放大系统产生影响。对全光纤双包层光子晶体光纤放大器进行测试, 使用976 nm的抽运源提供能量, 信号光使用波长为1064 nm、功率为2 W的连续光。当抽运功率达到最大值151.83 W时, 最大输出功率为108.1 W, 斜率效率为72.7%。输出光斑为很好的基模光斑, 体现了光子晶体光纤在具有大模场面积的同时仍能保持基模传输的优良特性。

非稳腔在大菲涅耳数条件下可实现光的高效提取效率, 也可保持高光束质量。设计了一款用于Nd∶YAG板条增益介质的传导冷却端面抽运结构的望远镜型离轴介稳-非稳混合谐振腔, 输出耦合镜为变反镜。该混合腔的宽度方向(板条增益介质的x方向)为非稳腔, 厚度方向(板条增益介质的y方向)为介稳腔。通过理论分析得出, 当抽运功率为10 kW时, 该介稳-非稳混合腔结构的输出功率为4428.7 W, 光-光转换效率为0.4429。