综述了近年来棒状、盘片、光纤和热容等高平均功率全固态激光器的进展和国内近期的工作。围绕限制激光器输出平均功率提高和激光光束质量下降的热效应问题, 比较了各类激光器的优缺点。总结了减小或补偿无用热不利影响的现有技术手段, 指出减小激光器热效应可能的技术途径。

深紫外(DUV)全固态激光(DPL)源, 指输出波长短于200 nm的固体激光, 它易于实用化与精密化, 是一种新型激光源。综述了它的历史、现状、发展及应用。

在惯性约束聚变(ICF)领域, 采用自适应光学(AO)技术进行波前控制是解决ICF激光系统中光束质量问题的重要手段。报道了“神光Ⅲ”原型装置中8套工程化自适应光学系统、未来ICF系统发展所需的大口径可拆卸变形镜(DM)样镜研制以及ICF自适应光学波前控制技术的最新研究进展。8套工程化自适应光学系统在“神光Ⅲ”原型装置上实现了到靶点的全系统静态像差校正, 改善了靶点焦斑能量分布, 验证了校正对打靶时X射线分布的改善效果。所研制的17单元大口径可拆卸变形镜的口径为284 mm×284 mm, 行程大于±6 μm, 谐振频率大于500 Hz。在ICF自适应光学波前控制技术中, 采用了基于哈特曼传感器近场相位测量的控制方法和基于靶室远场的随机并行梯度下降(SPGD)控制方法均能取得良好的校正性能。

简要介绍了全固态单频激光器在提高输出功率、发展选模和调谐技术、拓展激光波段范围和改善激光器性能等方面的研究进展。

综述了现有的3类激光光束质量评价方法, 即近场质量、远场质量和传输质量。主要的评价参数包括近场调制度和对比度、聚焦光斑尺寸、远场发散角、衍射极限倍数β因子、斯特列尔比、环围能量比以及M2因子等。讨论了它们各自的适用范围、优点和局限性。提出了采用M2因子矩阵以表述光束的像散特性, 给出了M2因子的不变量。

高重复频率窄脉宽全固态激光器在激光加工领域以及空间激光通信、激光雷达、激光测距等空间应用领域都具有巨大的市场需求和广阔的应用前景。利用电光调Q方式可以获得窄脉宽、大能量激光脉冲输出, 且具有良好的稳定性。近年来, 随着新型电光晶体的出现, 电光调Q开关的工作重复频率得到了显著的提高。主要综述高重复频率电光调Q全固态激光器在高速Q开关性能及激光输出方面的研究进展, 并简要报道了研究小组在该研究领域取得的最新实验结果。

光子晶体光纤(PCF)呈现出许多在传统光纤中难以实现的特性：可灵活设计的色散特性、增强的光学非线性特性、在极宽谱带内单模传输特性和增强的双折射特性等, 使其从一出现便受到了广泛关注并成为近年来光学与光电子学研究的一个热点, 在飞秒激光技术中得到了广泛的应用并极大地提高了锁模光纤激光器的输出水平。尤其以掺增益介质的双包层光子晶体光纤为代表的新型光纤激光技术的出现极大地推动了飞秒激光技术的普及化。阐述了近年来基于光子晶体光纤的飞秒激光振荡器、放大器方面的研究进展及其前沿应用。

太阳光直接抽运的激光器以太阳光为抽运源, 直接将太阳光转化为激光。介绍了国内外太阳光直接抽运激光器的研究状况。从太阳光到激光的转换效率论述了太阳光直接抽运激光器的应用优势; 回顾了太阳光直接抽运的各类激光器的研究历史, 按太阳光汇聚方式对太阳光直接抽运的固体激光器进行了归类分析, 对太阳光直接抽运的激光器发展进行了预测。

如何有效地减少抽运过程和激光发射过程中激光介质内产生的热量, 是全固态高功率激光研究过程中所面临的主要难题之一。与传统波长的抽运方式相比, 采用长波长的直接抽运技术不但可使激光介质中产生的热量减少30%～50%, 而且还可显著改善激光的输出特性。以最常用的Nd3+激光器的研究作为切入点, 简述了直接抽运技术的研究发展, 介绍了直接抽运技术相对于传统抽运技术的优缺点以及目前的研究现状, 最后对未来的发展前景作了初步分析和展望。

大热流密度散热问题已成为发展高功率激光器的关键技术之一。本文结合我们近年来的研究工作, 综述了目前正在应用或正在研究的针对高功率激光器冷却技术的研究现状, 主要包括微通道液体对流换热、固体冷却、喷雾冷却和微热管冷却。然后根据技术发展趋势, 提出了微通道沸腾换热冷却和液氮冷却是两种具有很好应用前景的冷却技术, 并介绍了该两项技术目前基础研究进展情况。

报道了清华大学光子与电子技术研究中心近年来在角抽运全固态激光器方面的研究成果, 其中包括大功率全固态角抽运Yb∶YAG激光器的研制, 全固态角抽运Yb∶YAG绿光激光器的研制以及中小功率全固态角抽运Nd∶YAG基模激光器的研制。

掺镱氟化钙(Yb3+CaF2)激光器是最近国际上研究的热点之一, 2008年报道的该类激光器, 在64 W激光二极管(LD)的抽运下, 实现了平均输出功率10.2 W的连续激光输出。利用国产镱钠共掺的氟化钙(Yb,NaCaF2)激光晶体, 采用三镜折叠腔型和激光二极管抽运, 获得了该类激光器(Yb,NaCaF2 /YbCaF2)的高功率连续输出。实验参数为：输出耦合镜的透过率为4%, 激光二极管的最大输出功率为40 W, 中心波长为976 nm。当吸收抽运功率18.2 W时, 获得了14.5 W的最高功率连续激光输出, 相应的斜率效率为80%。结果表明, 国产Yb,NaCaF2晶体具有低激光阈值和高负载能力, 是一种优良的高功率激光材料。

报道了激光二极管(LD)抽运单块非平面环形腔(NPRO)Nd:YAG激光器和LD抽运单块键合晶体非平面环形腔TmYAG激光器实现单频运转的实验结果。采用LD抽运的单块非平面环形腔Nd:YAG激光器, 分别获得了1.876 W和616 mW的1064 nm和1319 nm的单频激光输出, 对应的光-光转换效率分别为53.4%和19.2%。采用LD抽运单块键合晶体非平面环形腔TmYAG激光器, 获得了878 mW的2 μm单频激光输出, 光-光转换效率为18.8%。为了减小2 μm激光器的热效应, 采用一种新型的YAG+TmYAG+YAG键合单块非平面晶体结构形式并取得了良好的效果。

报道了一种室温下高效率运行的激光二极管(LD)端面抽运Tm∶YAP连续波激光器。抽运源使用波长为795 nm的光纤耦合二极管激光器, Tm∶YAP晶体c轴切割, 掺杂原子数分数为3%, 尺寸为3 mm×3 mm×7 mm。当输出镜透过率T为10% 时, 获得8.12 W的1.94 μm连续波激光输出, 相对应的抽运功率为26.2 W, 阈值抽运功率为4.67 W, 斜率效率为52.1%, 光-光转换效率为31.0%。使用光栅单色仪测得激光器输出中心波长为1938. 2 nm, 谱线半峰全宽约为 2.9 nm。

为获得稳定输出的全固态蓝光激光器, 在考虑了准三能级Nd:YAG晶体的自吸收损耗、热致透镜效应的基础上, 设计了4镜环形谐振腔, 采用激光二极管(LD)端面抽运复合Nd:YAG激光晶体, 在腔内插入布儒斯特片作为起偏器, 由λ/2波片和TGG晶体组成单向器, 通过周期极化KTP(PPKTP)内腔倍频, 实现了连续单频运转的473 nm蓝光激光器。当激光二极管的抽运功率为20 W时, 最大连续单频473 nm蓝光输出功率为770 mW, 长期功率稳定性优于±2.2%。利用电子伺服系统将激光器的频率锁定在共焦法-珀(F-P)腔的共振透射峰上, 蓝光激光的频率稳定性优于±5 MHz/min。

提出了由热键合直角棱镜与角锥棱镜构成的非平面环形激光器, 通过将环形磁铁施加到材料为熔融石英的角锥棱镜上, 实现了该激光器的946 nm单频运转。直角棱镜由未掺杂YAG和Nd∶YAG晶体热键合形成, 充当激光增益介质。采用芯径为200 μm, 数值孔径为0.22的光纤耦合半导体激光器进行端面抽运, 得到了160 mW的连续946 nm单频激光输出。

报道了一台全固态连续波500.8 nm青光激光器。实验中采用复合式谐振腔结构, 用两个激光二极管阵列(LDA)经过光纤耦合分别单独端面抽运两块Nd∶YAG晶体, 青色激光由两块Nd∶YAG晶体的1064 nm和946 nm谱线非线性和频产生。在两个子谐振腔的交叠区域利用LBO Ⅰ类临界相位匹配进行腔内和频, 通过谐振腔优化设计, 实现了腔内两个波长较好的模式与增益匹配。当注入到两块Nd∶YAG晶体的抽运功率分别为12 W和8 W时, 获得223 mW的TEM00模连续波500.8 nm青色激光输出, 水平和垂直方向的光束质量M2因子约为1.2。实验结果表明, 采用复合式腔结构和频是获取高功率500.8 nm青色激光输出的有效方法。

用包层抽运的宽带可调谐掺Tm光纤激光作为抽运源研究了HoYLF 2 μm固体激光输出特性。利用光纤激光共振抽运固体激光增益介质的光纤-体块混合激光器技术可使得大部分热量产生于光纤中, 体块激光介质中只有很少的量子亏损热, 有效地降低了热产生, 有利于实现高功率、高效率的2 μm激光输出。研究了不同抽运波长下Ho:YLF激光的输出特性, 并与激光晶体的吸收光谱进行对比, 对最佳抽运波长与晶体吸收峰不一致的现象进行了分析。在最佳抽运波长下, 当抽运功率为9.4 W时, 得到5.3 W近衍射极限的TEM00模线偏振光输出, 激光中心波长2066 nm, 光束质量因子M2约为1.1, 斜率效率达到70%。

报道了激光二极管(LD)端面抽运的1053 nm全固态连续单频稳频Nd∶YLF环形激光器的设计及实验结果。为克服Nd∶YLF晶体应力裂纹极限小的缺点, 采用了较长的、低掺杂的沿c轴切割的Nd∶YLF晶体。激光器的阈值抽运功率为4.7 W, 当抽运光功率为17.9 W时, 单频输出功率可达4.21 W, 长期功率稳定性为±0.8％(4.75 h), 自由运转频率波动为±10 MHz/min。为了改善激光器的频率稳定性, 利用电子伺服系统将激光器的频率锁定在共焦法布里-珀罗(F-P)腔的共振透射峰上, 锁定后, 激光器的频率波动降低为±1.7 MHz/min。

为实现激光二极管(LD)抽运腔内和频491 nm蓝光激光器, 从准三能级和四能级阈值和频理论出发, 讨论和分析了1063 nm和912 nm激光双波长运转的条件。在实验中, 采用标称输出功率为3 W的LD, 端面抽运尺寸为3 mm×3 mm×2 mm,掺杂原子数分数为0.15%的Nd∶GdVO4晶体, 利用线性直腔结构在腔内实现912 nm和1063 nm双波长同时振荡, 并利用LBO晶体进行I类腔内和频, 获得了连续0.8 mW 491 nm蓝色激光输出。

报道了一种能获得543 nm激光连续输出的LD抽运全固态激光器, 通过对谐振腔膜系的设计以及倍频晶体的合理选择和放置, 采用长度为10 mm的Ⅰ类临界相位匹配LBO晶体进行腔内倍频, 用功率为2 W的LD抽运掺杂原子数分数为0.8%的Nd:YVO4晶体, 采用简单直腔结构, 获得了543 nm激光输出。在1.9 W的抽运功率下, 最大输出功率为105 mW。光-光转换效率高达5.53%, 输出功率在3 h内长期稳定性优于3%。

利用全固化Nd∶YVO4单频激光器连续输出的1.342 μm激光, 抽运由I类临界相位匹配的LBO晶体构建的谐振倍频腔。当红外抽运光功率为1.14 W时, 获得580 mW单频红光输出, 最大倍频转换效率为50.9%。红光功率稳定性优于±0.5%(1 h), 红外光频率漂移小于±2 MHz(1 min)。

报道了一种利用激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YVO4激光晶体, 通过硼酸铋(BIBO)晶体的腔内和频(SFM)与倍频(SHG), 实现3个二次谐波连续激光同时输出的3波长激光器。利用Nd∶YVO4晶体的两条发射谱线(分别为1064 nm和1084 nm)作为基频光, 并选择长度为1.5 mm, I 类临界相位匹配方式切割(对于1064 nm倍频)的BIBO作为非线性晶体, 通过调节BIBO晶体对3个非线性过程(1064 nm倍频, 1084 nm倍频及1064 nm与1084 nm和频)的相位因子, 即非线性过程的转换效率, 使激光器同时获得了两个倍频光和一个和频光, 即3个波长：532 nm, 537 nm和542 nm激光输出。实验结果表明当两个基频光波长相差较小时, 采用相位允许角小的非线性晶体同时进行腔内和频与倍频是获得多波长固体激光器的一种实用方法。

通过对激光二极管(LD)端面抽运棒状Nd:YAG晶体的热效应进行理论分析, 考虑晶体内部抽运光束分布及连续抽运过程中晶体周边与冷却液之间的对流传热, 建立了更为合理的边界条件, 得出更符合实际的晶体温度分布场, 同时计算了晶体半径以及晶体散热面积对热效应的影响。研究结果表明, 考虑边界对流传热后, 计算的晶体中心温度升高, 晶体边界温度也相应升高, 相应的晶体热焦距稍有增加; 减小晶体半径, 晶体中心与表面的温度差均减小, 热焦距增大, 晶体热效应降低; 增大晶体散热面积虽然降低晶体内部温度场, 但由于端面抽运的特点导致晶体中心附近温度变化率增加, 反而使热焦距减小, 加剧了晶体热效应。

分析了固体激光器中两种主要的热效应：热致双折射效应和热透镜效应。对于这些效应在固体激光器中表现出来的退偏效应、热透镜双焦效应和热透镜球差效应, 以及它们对固体激光器基模输出功率的影响进行了分析。并通过4f成像系统和石英旋光器, 对激光棒截面上所有各点进行点对点的补偿, 消除了退偏效应。

激光二极管(LD)三向侧面抽运晶体时, 每根抽运源上激光二极管阵列间的散热空隙使得抽运光在晶体中轴向分布不均匀, 晶体的轴向热均匀性变差。从光强分布的解析表达式出发, 通过研究热源分布特性, 导出了工作物质热透镜焦距的理论计算方法。数值计算了总抽运功率不变的情况下, 抽运源激光二极管阵列的空间占空比、抽运源到晶体中心距离等因素对晶体热透镜焦距的影响。发现热透镜焦距随激光二极管阵列空间占空比和抽运距离的增大而增大。结果表明, 抽运光沿轴向分布越均匀, 热透镜焦距越长。这为追求晶体轴向热均匀性时侧面抽运源的选择和改进提供了依据。

以半解析热分析理论为基础, 研究了超高斯分布激光二极管(LD)端面抽运背冷式方形Nd∶GdVO4微片晶体的热效应。通过对激光晶体工作特点的分析, 建立热模型, 利用新的热传导方程求解方法, 得出了背冷式方形Nd∶GdVO4微片晶体内部温度场、热形变场的半解析计算表达式。研究结果表明, 当使用输出功率为700 W的LD(超高斯阶次为4)端面中心入射背冷方形Nd∶GdVO4晶体(晶体掺钕原子数分数为1.2%)时, 在抽运端面中心获得69.6 ℃最高温升和74.1 nm最大热形变量, 与实验结果一致。得出的方法可以应用到其他激光晶体热问题研究中。

基于提出的能量均分方法, 理论分析和系统模拟了大功率激光二极管(LD)端面抽运Nd∶YAG激光陶瓷板条阶变梯度浓度掺杂情况下板条温度分布及应力分布情况。采用板条阶变梯度浓度掺杂结构, 在抽运效率很高的情况下, 抽运吸收光功率分布更加均匀, 产生更小的热应力, 从而解决抽运效率和抽运吸收功率均匀性之间的矛盾。

对最新提出的五边形板条激光介质进行了几何光学分析, 提出了优化其几何参数以提高入射光束截面宽度, 尽可能充分提取增益的方法, 发现了五边形板条要求介质对抽运光的吸收系数不低于某一阈值。采用有限元分析对热效应造成的波前畸变进行了分析, 结果表明五边形板条在厚度及宽度方向均存在严重的热透镜效应, 且无法用补偿透镜进行消除, 因此, 难以在高功率条件下获得高光束质量激光输出。

基于KTA和KTP非线性光学晶体, 在全固态大功率1.5 μm光参量振荡(OPO)方面做了相关的实验研究, 将激光二极管(LD)侧面抽运Nd:YAG 1064 nm高功率激光模块应用于腔内KTA-OPO设计中, 获得了高效稳定的光参量输出。当重复频率为18 kHz时, 1.53 μm信号光功率和脉宽分别为13 W和5.46 ns, 3.4 μm休闲光输出功率为3 W。作为比较, 对基于KTP晶体的腔内光参量振荡特性也进行了实验研究。结果发现,由于KTA晶体在3.4 μm波段的吸收相对KTP晶体来说可以忽略, 热效应的影响大为降低, 可获得比KTP-OPO更高的输出功率和转换效率。

报道了激光二极管(LD)侧面抽运的Nd:YAG薄片激光器。对影响侧面抽运薄片激光器性能的主要因素, 即圆薄片增益介质内晶体光分布和沿径向的温度分布进行了理论分析和实验。实现了光-光转换效率为33.5%, 峰值功率为230 W, 光束参数乘积为21.6 mm·mrad的激光输出。实验结果表明, 侧面抽运在薄片Nd:YAG晶体内可实现对称均匀的分布, 沿径向的温度差大大减小; Nd:YAG/YAG薄片晶体的复合可满足侧面抽运的要求。这些技术和方法可应用于更高功率的侧面抽运薄片激光器。

报道了以KTP晶体作为倍频介质, 以Nd∶YAG晶体作为激活介质, 以SrWO4晶体作为拉曼介质的折叠腔型主动调Q腔内倍频拉曼激光器的输出特性, 给出了输出黄光平均功率、脉冲能量、脉冲宽度随激光二极管(LD)抽运功率及脉冲重复率的变化关系。在输入抽运功率为12.6 W, 脉冲重复率为20 kHz时, 获得了1.4 W的590 nm激光输出, 从LD到黄光的转换效率为11.1%。在输入抽运功率为12.6 W, 脉冲重复率为10 kHz时, 单脉冲能量为122 μJ, 脉冲宽度为4.0 ns, 相应的脉冲峰值功率为30.5 kW。

利用激光二极管抽运掺镱硅酸镥( YbLu2SiO5 , Yb:LSO)晶体, 在腔内不加任何主被动调制器、且腔内未插入硬光阑的情况下, 实现了激光器的克尔透镜自锁模运转。采用4镜Z形折叠腔, 在抽运功率为15.8 W时, 得到平均功率达2.05 W的克尔透镜自锁模稳定脉冲输出,相应的斜率效率为16.5%。

报道了稳定连续锁模皮秒Yb:LSO激光脉冲的产生研究。实验中增益介质采用原子数分数为5%掺杂的Yb3+Lu2SiO5(Yb:LSO)激光晶体, 利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为被动锁模元件。在2 W抽运功率下, 获得了平均功率70 mW的Yb:LSO激光稳定锁模输出, 重复频率69.8 MHz;实际测得脉冲宽度为3.6 ps, 脉冲中心波长可分别运转于1047 nm及1066 nm。

报道了激光二极管(LD)侧面抽运Nd∶YAG激光晶体腔内三倍频355 nm紫外激光器。实验中采用声光调Q技术, 选用结构简单、紧凑的三镜折叠、平-凹腔设计, 在腔内对1064 nm基波采用I类相位匹配LiB3O5(LBO)晶体二倍频、Ⅱ类相位匹配LBO晶体实现三倍频, 获得了较好光束质量的准连续紫外激光输出。在激光二极管抽运功率为155 W, 声光调Q 的调制频率为5.40 kHz 的工作条件下, 获得脉宽为45 ns, 最高平均输出功率为2.14 W, 光场均匀分布的355 nm准连续紫外激光, 808 nm抽运光到355 nm紫外激光的光-光转换效率达到1.38%, 1 h内输出稳定性为 3.30％。此外, 对影响腔内三倍频转换效率的因素进行了相应的分析研究。

报道了采用1064 nm激光抽运PPMgLN晶体准相位匹配(QPM)技术实现高效率2.7 μm激光输出的实验结果, 理论计算了PPMgLN晶体准相位匹配周期调谐曲线, 得出PPMgLN晶体周期为31.3 μm时可获得中红外波长2.7 μm激光输出。PPMgLN晶体(MgO掺杂摩尔分数为5%)单谐振光参量振荡(OPO)技术采用e→e＋e相位匹配, 消除了光束之间的走离效应并利用了PPMgLN晶体的最大非线性系数d33(27.4 pm/V)。在1064 nm激光抽运功率为26 W, 声光Q开关工作频率为7 kHz的条件下, 获得平均功率为4.7 W, 波长为2.72 μm激光输出, 斜率效率超过21％, 对应闲频光波长1.75 μm激光输出功率约9 W。2.7 μm激光水平方向和垂直方向光束质量M2因子分别为2.05和1.84。

为差分测量NO2气体浓度, 获得448.1 nm与449.15 nm的双波长双脉冲光源具有重要价值。实验中采用分时高压方波驱动电光Q开关, 在一次闪光灯抽运条件下, 在同一光路上实现了双波长、双脉冲的Cr∶LiSAF可调谐激光输出。利用一块波长为900 nm倍频切割的LBO晶体, 进行腔外的双波长双脉冲的谐波研究, 实现单光束双波长、双脉冲Cr∶LiSAF调Q谐波激光输出, 获得了波长分别为448.1 nm与449.15 nm同光束双波长激光输出, 脉冲能量分别为13.7 mJ, 脉冲间隔62 μs。输出的谐波光束线宽小于0.02 nm。

建立了一套以主动-主动瞬态锁模激光器为主振荡器, 一级双程预放大和两级单程放大组成的高重复频率大能量锁模激光系统, 并采用了精密腔长调节、单脉冲选择、热退偏补偿及抗高功率密度光损伤等关键技术。在频率20 Hz时, 1064 nm单脉冲激光输出能量≥500 mJ, 脉冲宽度为300 ps, 发散角≤0.8 mrad, 外触发与出光时间抖动为±15 ns。用BBO晶体倍频, 532 nm激光输出能量≥240 mJ, 转换效率≥45%。该激光器已用于远程人造卫星测距, 工作脉冲次数≥2×108, 测距精度2 cm左右。

报道了一种利用非线性光学频率变换技术生成深紫外激光的固体激光系统。此系统采用基于CLBO晶体和频的频率变换方案, 参与和频过程的两路激光分别是一台全固态声光调Q Nd:YVO4激光器输出的1064 nm近红外激光和一台灯抽运电光调Q倍频Nd:YAG激光器抽运的钛宝石激光器输出的三倍频238.7 nm紫外激光。对系统中的调Q倍频Nd:YAG激光器、钛宝石激光器、BBO三倍频模块、调Q Nd:YVO4激光器以及CLBO和频模块进行了详细描述。最后, 在实验中获得了最高功率217 μW, 重复频率10 Hz的195 nm深紫外激光输出。

采用940 nm InGaAs激光二极管(LD)阵列端面抽运片状Yb∶YAG晶体, 谐振腔采用V形有源镜构型, 实现了1030 nm红外激光输出。实验中分别测试了激光器在不同重复频率(1 Hz, 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz)条件下的激光输出特性。当输出耦合镜的反射率为73%, 在抽运能量为7.6 J(功率密度为13 kW/cm2) 时, 1 Hz重复频率输出稳定运行于2.43 J, 光-光转换效率为32%, 斜率效率为54.5%; 10 Hz重复频率输出稳定运行于1.76 J, 光-光转换效率为23.2%, 斜率效率为43.3%。

通过理论分析和数值计算, 对Cr4+:YAG飞秒脉冲激光器光路结构的优化设计进行了研究。提出了在谐振腔内插入一薄聚焦透镜代替另一折叠镜以降低光路的复杂性。为研究起色散补偿作用的棱镜对对腔的稳定性和像散带来的影响, 导出了棱镜对的光传输矩阵。通过编程计算得出了连续运转和锁模运转两种工作方式下的不同参数的谐振腔稳区图, 对激光器工作点的选择做出了论述。定义了像散补偿失配因子F, 做出了像散补偿区域分布图。指出F<0.05的区域具有良好的像散补偿特性, 也是激光器光路结构参数设计必须要考虑的重要方面。论证了改变抽运光聚焦透镜的位置可实现抽运光与腔内振荡光的匹配。

报道了激光二极管(LD)三向侧面抽运Tm,Ho∶LuLiF激光器热效应的实验研究。理论上计算了激光介质内抽运光强的分布, 分析了不同抽运光束腰下, 对抽运光强和均匀性的影响。利用有限元分析, 模拟了抽运时介质内部温度分布轮廓图。将激光晶体热透镜效应作类透镜近似, 进行实验测量。利用通过小孔的高斯光束光强变化, 拟合出He-Ne光通过晶体前后的高斯光束形状; 近似成高斯光束经薄透镜的变换, 计算得出在抽运单脉冲能量3.3 J, 脉冲重复频率10 Hz下, Tm,Ho∶LuLiF晶体的热透镜焦距约为－2.3 m, 实验结果与理论预测基本相符。

研制了一台重复频率400 Hz, 平均功率1.0 W的激光二极管抽运全固态窄线宽钠导星激光器。利用两路波长分别为1064 nm和1319 nm的声光(AO)调Q激光器作为基频光, 在腔外通过三硼酸锂(LBO)晶体和频产生(SFG)589 nm钠导星激光, 和频效率约达20％。每路基频光均采用标准具压窄线宽, 输出和频光线宽约1.8 GHz, 并调节控制标准具的温度和倾斜角度将中心波长锁定于589.159 nm(偏差±1 pm), 实现了激光器谱线与钠原子D2线的精确匹配。

对单频光纤激光系统的输出噪声进行了测量和研究, 利用前置光电负反馈方法对光纤激光器的强度噪声进行了抑制, 调节反馈增益和延迟时间, 可以在不同的边频处接近散离噪声极限, 在分析频率6.0 MHz处抑制程度达到22 dB。

为了满足近距离相干测风激光雷达对激光发射源的需求, 采用种子源振荡-放大(MOPA)的工作方式, 对小型化、全光纤、高重复频率、窄线宽并处于人眼安全工作波段的激光雷达用单频脉冲激光器进行了研究。实现激光输出波长1542.4 nm, 重复频率10 kHz, 脉冲宽度500 ns, 线宽1 MHz, 平均输出功率50 mW, 峰值功率10 W, 单脉冲能量5 μJ。该激光器可作为近距离相干激光雷达发射源。

报道了一台全光纤结构主振荡功率放大(MOPA)型掺镱脉冲光纤激光器。种子源是工作波长为1064 nm的声光调Q光纤激光器, 可以获得重复频率在20～50 kHz间可调、平均输出功率约2 W的随机偏振脉冲种子激光。以大直径保偏(PM)光纤作为增益介质, 在6个单管功率10 W, 波长为915 nm的半导体激光器抽运下, 种子激光经过一级放大最终获得平均输出功率23.5 W, 脉冲宽度约为30 ns, 偏振抑制比超过10 dB, 光束质量因子M2为1.36的线偏振单模脉冲激光输出。讨论了大直径保偏光纤与种子激光输出光纤的模场不匹配性对输出激光的光束质量和光谱特性的影响。

研制了高功率窄线宽光纤放大器。该放大器采用双级放大结构, 其中第一级预放为掺Er3+光纤放大器, 第二级功率放大采用10 m长的Er3+/Yb3+共掺双包层光纤作为增益介质, 抽运源采用两支波长为980 nm的大功率激光二极管。当抽运功率为10.7 W时, 得到放大激光输出功率为1.94 W, 光-光转换效率为17%, 斜率效率20%。采用延迟自外差方法对种子激光器及各级放大器输出的激光线宽进行了测量, 测量结果表明窄线宽激光谱线经过掺Er3+光纤与双包层光纤放大后均有不同程度的明显展宽。分析认为激光线宽展宽的主要原因是由于种子激光器中弛豫振荡或自脉冲的强度波动引起的自相位调制。

研究了基于主振荡-功率放大(MOPA)结构的高重频窄脉宽光纤激光器的输出特性及影响因素。分析了高功率输出条件下, 受激拉曼散射(SRS)对激光增益特性和光谱特性的影响, 指出SRS是限制光纤激光器功率提高的主要原因。通过扩大增益光纤的有效模场面积、缩短光纤长度, 有效抑制了SRS的产生, 获得了平均功率64 W, 重复频率50 kHz, 脉冲宽度14 ns的脉冲激光输出。分析了光纤弯曲对激光输出特性的影响, 结果表明, 适当减小光纤的盘绕直径可以在一定程度上改善输出激光的光束质量。

以单模1064 nm 激光二极管(LD)光纤级联放大构成的全光纤化模块为种子光源, 以国产大模场面积(LMA)双包层掺镱光纤为放大器, 构成了高重复频率纳秒脉冲主振荡功率放大(MOPA)系统。实现了平均功率为59 W的脉冲放大激光输出, 中心波长1064 nm, 脉冲宽度22.7 ns(重复频率50 kHz时), 重复频率50～150 kHz连续可调。实验研究了激光脉冲的时域和光谱特性, 分析了光纤功率放大对激光脉冲波形的影响。

结合Er/Yb共掺双包层光纤(EYDCF)和主振荡功率放大(MOPA)技术,采用高功率多模抽运方式设计和实验研究了全光纤化两级放大器。分析了放大器的各种性能参数; 1550 nm连续光放大得到最大斜率效率为29%,最大输出功率1.52 W, 功率稳定度0.4％;2 kHz脉冲放大时得到最大输出功率1.1 W,功率稳定度0.45％, 最大斜率效率25%。并从放大后光谱和时域波形分析了导致脉冲放大时斜率效率和功率转换效率较低的主要原因为Yb3+离子波段放大自发辐射(ASE)的出现和Er离子波段ASE的过多积累。在高功率放大时, 增益随输入信号功率增大迅速下降; 同时结合抽运光频谱随驱动电流变化分析了其对放大器性能的影响。

提出一种基于保偏光纤布拉格光栅(PMFBG)的对称腔多波长掺铒光纤激光器(EDFL)。使用直接在保偏光敏光纤(PMPF)上写入的光纤布拉格光栅作为波长选择器件, 利用激光谐振腔中的偏振烧孔效应(PHB), 通过调整偏振控制器(PC), 在室温下得到稳定的四波长激光运转。输出激光的边模抑制比(SMSR)达到50 dB, 约一个半小时重复扫描时间内对应于每一波长的振幅变化差异均小于0.8 dB。

提出并实现了一种单纵模窄线宽输出、波长可开关的光纤激光器。该激光器采用环形腔结构, 利用一段未抽运的掺铒光纤(EDF)的饱和吸收效应来实现光纤激光器的单纵模运转与窄线宽输出; 同时利用1×2光开关和2个并联的不同中心波长的光纤光栅(FBG)的选波作用, 通过控制光开关的电压信号, 实现2个输出波长的可开关功能。在17.5 dBm的掺铒光纤放大器(EDFA)输出功率下, 获得了2.5 dBm峰值功率,3 kHz线宽的单纵模激光输出; 并且输出光的波长在控制电压的作用下可在1545.2 nm和1556.4 nm两个波长之间任意选择。

建立了以掺铒碲酸盐玻璃光纤作为增益介质的上转换光纤激光器数值模型, 理论研究了碲酸盐玻璃基上转换光纤激光器的激光输出特性, 得到了980 nm抽运源激励下546 nm绿色激光信号输出功率与入射抽运功率、谐振腔光纤长度的变化关系。研究表明, 碲酸盐玻璃基上转换光纤激光器可以在厘米长度的增益介质上实现毫瓦功率的绿色激光输出, 斜率效率达到了7%左右。相比于报道的氟化物玻璃基上转换光纤激光器, 碲酸盐玻璃基上转换光纤激光器显示出一种潜在的小型化固体激光器特征。

研究了阶跃折射率分布的百微米芯径双包层光纤激光器的输出特性及其模式控制技术。理论上对光纤缠绕法模式控制技术应用于百微米芯径光纤激光器的可行性进行了分析。实验中, 采用腔内小孔法对百微米芯径光纤激光器的输出激光模式进行控制, 研究了不同孔径对输出激光光束质量的影响。在腔内不加小孔时输出激光x,y方向的光束质量因子M2分别为4.67和4.60, 在腔内加入直径为2 mm的小孔后, x,y方向的光束质量因子M2分别为1.96和2.01, 腔内小孔对输出激光的光束质量有明显的改善。