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以激光器为核心的激光技术,对先进制造业、科学技术、医疗技术和国防科技的进步与发展起到越来越重要的作用。特别是单频运转的激光器以其噪声小、相干长度长等优点,广泛应用在非线性过程、量子光学、量子信息、冷原子物理、光学测量、光谱、和国防科学技术等领域。许多研究人员在这个领域进行了大量的研究工作并取得可喜结果。目前在相对成熟的中小功率全固单频激光器的研究中,一般采用扭转模谐振腔、短谐振腔、谐振腔中插入标准具或双折射滤光片等方法使激光器以单纵模方式运转。但在高功率激光运转,特别是要实现稳定单频运转情况下,最佳方案仍是利用环形激光谐振腔,通过在谐振腔内插入光学单向器迫使激光器单向运转、消除空间烧孔效应,来实现单频激光的输出。随着科学技术的发展,对单频激光器的性能和指标也提出更高要求,优质的钛宝石激光器和光学参量振荡器（OPO）需要高输出功率和低噪声的单频激光作为泵浦源;而量子信息及冷原子物理的发展,则需求频率可调的各种特定波长的激光器,以满足与不同原子的激发及通信波段的匹配;在高精度光学测量、光谱和频标等领域,频率稳定的窄线宽激光器的应用起到非常重要的作用。因此,提高输出功率,发展选模和调谐技术,拓展激光波段范围,改善激光器整体性能和主要指标,就成为发展现有单频激光器的主要研究内容。我们分别从发展调谐技术及选模技术和拓展激光波段范围三个方面对环形腔选模的单频激光器进行了一系列研究工作,取得如下研究成果:1.设计了一种全固态单频Nd:YVO4/KTP绿光激光器,考虑到通过选取合适的基频光偏振方向,使椭圆高斯光束横截面椭圆的长轴位于KTP晶体的走离平面内。这种设计既提高了激光器的效率,也减小了晶体损伤的危险。当抽运功率为20W时,单频绿光最大输出功率达4.8W,相应的光-光转化效率为25.5%。2.由于KTP晶体的损伤阈值较低,我们选用LBO作为倍频晶体,设计了全固态单频Nd:YVO4/LBO绿光激光器。与KTP晶体相比,LBO晶体的光谱接收带宽较小,不容易得到稳定的单纵模激光输出。我们从模的起振条件出发,从理论上分析了激光器多模工作的原因—非线性晶体的光谱接受带宽与增益介质的受激发射带宽的比值较小时,和频引起的非线性损耗不足以抑制腔内的非激活模振荡,容易引发激光器多纵模振荡或者模式跳变。在高功率内腔倍频单频环形激光器中插入合适精细度的标准具,由于腔内标准具能压窄激光介质增益曲线的带宽,从而提高了非线性光谱接受带宽和增益曲线带宽的比值,结果大大改善了高功率激光器纵模和输出功率的稳定性。连续观察6小时没有模式跳变和多模现象发生。3.在高效内腔倍频情况下,对基模来说,非线性转化过程是主要的损耗,而且非线性转化对基模的损耗有偏振选择性,对满足位相匹配的偏振方向来说,损耗最大,随着基模的偏振方向远离位相匹配方向,非线性损耗也逐渐减小。这样,为了避免非线性损耗,激发可能发生在受激发射截面较小的方向。我们设计了一块楔子状Nd:YVO4晶体作为单频激光器的增益介质,这个设计能有效阻止激光器输出光的偏振方向偏离Nd:YVO4晶体的光轴方向,从而获得偏振度高、偏振方向稳定的激光输出,从而获得稳定的激光输出。最后,我们获得6.5W单纵模绿光激光输出,输出激光的偏振度大于500:1,激光器3小时的功率稳定性优于±0.3%。4.由于Nd:YAP晶体受激发射输出的1080nm光可以在KTP晶体内实现Ⅱ类非临界位相匹配,从而容易获得双模压缩态光场和纠缠态光源,引起许多研究工作者极大的兴趣。但是,Nd:YAP晶体严重的热效应使它不容易获得高功率内腔倍频540mm激光输出,而在量子纠缠交换、量子网络及量子通信等研究中需要抽运多个OPO腔,获得关联度高的多组份纠缠光束。为了配合基础研究的需要,我们研制了高功率双波长1080nm/540nm激光输出,通过扩大Nd:YAP晶体处基模光斑的大小和减小腔内基频光功率密度的方法,获得540nm的最大输出功率为3W,和1080nm的最大输出功率为1.1W。5.设计了一种可以同时实现高调谐速度、宽调谐范围和高输出功率的可调谐激光器。它的主要特征是采用两块电光调制晶体作为调谐元件。其中一块加工成通光面相互平行的薄片,利用晶体的标准具效应实现宽范围、非连续调谐。另一块是通光面相互不平行的电光晶体,晶体电极上电压的改变引起晶体折射率的变化,从而使光线在谐振腔内的光程发生改变,来达到连续调谐的目的。获得最大调谐范围为17.2GHz、调谐速度为10ns、最大输出功率为500mW的单频可调谐激光器。其中,创新性的工作包括:1.在椭圆高斯光束的倍频过程中,通过合理放置非线性晶体,既可以获得高效倍频效率,也能减小晶体损伤的危险。我们首次将这种设计应用在内腔倍频激光器中,获得高效内腔倍频激光输出。2.首次从理论上分析了模式稳定的激光器中,非线性晶体的光谱接受带宽与增益介质的受激发射带宽的比值与泵浦功率应满足的关系。并通过在环形谐振腔中插入合适精细度的标准具,大大改善了高功率激光器纵模稳定性。3.我们首次利用各向异性晶体的双折射性质,选用楔形晶体作为增益介质,获得偏振方向和输出功率稳定的单频内腔倍频激光输出。4.在实验上首次同时获得最大输出功率为3W的540nm和最大输出功率为1.1W的1080nm激光输出。5.在实验上首次设计了电光晶体标准具,并将电光晶体标准具用作可调谐激光器的调谐元件,获得的单频可调谐激光器同时具有如下指标:最大调谐范围为17.2GHz、调谐速度为10ns、最大输出功率为500mW。