研究光腔内导引光的往返振荡物理过程与传播特性有助于理解、判断光腔的准直失调状态。离轴非稳腔作为一种兼具高提取效率与高光束质量的混合非稳腔，调腔导引光在离轴非稳腔中的振荡物理过程研究鲜有报道。通过理论计算与实验研究了导引光在离轴非稳腔内的多光束干涉过程及其远场传播特征，在实验中搭建了离轴非稳腔（X方向为平凹稳定腔，Y方向为共焦非稳腔）导引光研究装置，通过凹球面镜小孔注入波长为632.8 nm的基模高斯光束，开展了光腔准直与导引光远场图样研究，实验结果与计算结果吻合较好。计算与实验结果表明：离轴非稳腔的干涉图样与传统共焦非稳腔/稳定腔不同，调腔导引光在腔镜小孔注入处出现椭圆“水滴”状干涉图样，该图样亮度较高，可以用于判断光腔的准直状态。输出导引光的远场光斑在Y方向上是不同振荡阶次的亮核光斑，其中高阶次亮核光斑可用于指示红外激光的远场光斑位置。

提出并研究了一种气流方向Z型折叠离轴混合非稳腔，应用在小型化DF气流化学激光装置中(增益体积为30 mm×40 mm×125 mm)，实现了平均功率550 W、光束质量β值1.8(稳定腔方向β值为1.5，非稳定腔方向β值为1.9)、光谱覆盖3680～4089 nm的中红外连续激光输出。该腔在气流方向是平凹稳定腔，并且进行了Z型折叠以减小稳定腔方向上的增益尺寸；在高度方向是正支共焦非稳腔。针对稳定腔方向上远场光斑从高阶横模振荡到基横模振荡的物理过程进行了理论计算与实验研究，光腔振荡的计算结果与实验结果吻合较好。计算与实验结果表明，气流方向Z型折叠离轴非稳腔可用在小型化、紧凑型DF气流化学激光装置中，实现高功率、高光束质量中红外连续激光输出。

介绍了非稳腔薄片激光器腔内像差产生的原因及特点,提出了采用离焦校正变形镜和二维变形镜组合的方式校正腔内像差的主动校正技术,在仿真和优化设计基础上,研制的离焦校正变形镜动态范围为18.52 μm(峰谷值),二维变形镜镀膜后静态面形不大于0.04 μm(均方根误差),单驱动器动态范围大于6 μm(峰谷值),交连值在30%~35%范围内。将两种变形镜放置于激光器腔内进行主动闭环校正,经过离焦校正后光束质量改善至19.5,再经过二维变形镜校正后优化至6.5,波前像差由1.504 μm(均方根误差)减小至0.185 μm(均方根误差),光束质量提高了3倍,均方根误差值提高了8.1倍。实验结果证明,组合式校正模式可以有效地改善非稳腔薄片激光器腔内像差,其技术路线是可行的。

非稳腔拥有较大的模体积, 良好的光束特性, 因而在板条激光器中应用广泛。一般而言, 板条激光器均采用的是共焦非稳腔结构, 对非共焦腔结构研究较少。采用Rigrod分析法对非共焦非稳腔的功率提取效率进行分析, 研究了腔长增加或者减小时, 非共焦腔的光束特性, 失调特性以及功率提取效率的变化。结果表明, 腔长减小时, 非共焦腔相比共焦腔, 功率提取效率整体呈下降趋势; 而当腔长增加150~210 mm时, 非共焦腔的功率提取效率提升11%左右, 抗失调特性相比共焦腔结构也提升10%以上。

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。

为了获得高光束质量的脉冲固体激光输出,研究了高斯非稳腔固体激光器的模式分布。运用边界有限元法将谐振腔内光场衍射积分方程转化成矩阵方程组, 模拟分析了平凸高斯非稳腔内光阑位置、孔径大小以及高斯镜参数对输出光束模式的影响。基于理论模拟结果对激光器结构参数进行了优化, 分别测量了腔内不同光阑位置和孔径下的激光器输出光束振幅及模式分布情况。在光阑半径为1 mm、光阑距高斯镜为150 mm、泵浦电压为900 V的实验条件下, 光束质量M2x=19、M2y=23, 激光最大输出能量为280 mJ的高光束质量激光输出。实验结果表明, 在腔内加入选模光阑以及优化高斯镜参数可以进一步改善腔内模式分布, 获得高光束质量激光输出, 这与理论模拟结果基本相符。

提出一种环形非稳腔结构,该结构将传统驻波非稳腔腔内的非共轭像差校正转换为共轭像差校正。搭建了百瓦级环形非稳腔Nd∶YAG板条激光器,采用59单元自适应光学系统对腔内像差进行校正。利用980 nm参考光束和 Shack-Hartmann波前传感器测量腔内像差,采用加权最小二乘法复原波前像差,最后用倾斜镜和变形镜进行校正。最终在低抽运功率下将输出功率从105.8 W提高到113.1 W,光束质量β因子从6.98优化到2.33。该研究为环形非稳腔应用于高功率固体激光器并获取高输出光束质量提供了一种技术途径。

激光器的谐振腔在实际装配过程及运行过程中很难保证完全调准, 因此研究谐振腔的稳定性十分必要。采用“Rigord分析法”分析了抛物面镜离轴非稳腔和球面镜腔角度失调时功率提取效率的变化, 对腔长改变时两种谐振腔的输出特性进行了讨论, 同时研究了腔镜曲率半径增大的抛物面镜离轴非稳腔的稳定性。结果表明, 当失调角度在±6 mrad变化时, 抛物面镜腔的功率提取效率比球面镜腔高5.6%; 当谐振腔腔长的变化值在―1～1 mm的范围内时, 抛物面镜离轴非稳腔的功率提取效率比球面镜腔高3.5%; 当谐振腔腔镜曲率半径增加2 mm时, 抛物面镜腔的功率提取效率增加, 且抗失调特性更好。

非稳腔由于其良好的模式鉴别特性,且可获得接近衍射极限的输出束,因此在板条激光器及放大器中广泛应用。但非稳腔有多种不同结构,不同类型谐振腔的输出光束特性各不相同,因此对不同结构非稳腔特进行研究具有重大意义。采用Fox-Li迭代算法,数值模拟了对称正支和负支共焦腔,对称非稳腔和离轴非稳腔的输出特性,对不同结构谐振腔的稳定性进行了分析。研究结果表明,离轴非稳共焦腔输出光束远场分布能量更集中,且输出光束的M2因子仅为对称腔的1/5; 而离轴负支共焦腔的抗失调特性优于离轴正支腔。

为获得氮稀释剂燃烧驱动连续波DF激光器输出光谱特性, 利用傅里叶红外光谱仪对Z型折叠非稳定光学谐振腔DF激光器的外传输光路高反射镜散射激光进行了光谱分析.结果表明: 采用N2稀释剂的DF激光输出谱线向长波偏移, 有效输出波长大于4.0 μm的3P10～3P13谱线, 且各振动能级跃迁谱线为更高转动量子数跃迁谱线.各支谱线存在谱带间和谱带内竞争, 且在一定程度上体现级联效应.改变燃烧室反应氧化剂过量系数, 能够在一定程度上调节DF激光输出谱线分布.过量的副燃料主要为满足气动性能需求, 在合适范围内变化的副燃料比对输出谱线及分布影响较小.研究结果可为燃烧驱动连续波DF激光技术研究及应用提供参考.