全固态皮秒激光器在可靠性和激光输出特性方面的不断提升使其在科研，工业、医学和军事等领域都得到广泛的应用，如生物成像、激光微纳制备、非线性频率转换、医学治疗和激光测距等。由于放大过程中通常不需要使用啁啾脉冲放大技术，皮秒激光器具有高效、稳定、紧凑、经济效益高等优点。与飞秒激光器相比，皮秒激光器在工业应用环境中以其成本和效益的良好均衡而显示了独特的优势。如今发展高功率高重复频率且具备良好光束质量的小型化全固态皮秒激光器具有重大的科学意义和应用价值。　　目前，Nd3+离子掺杂的钒酸盐激光晶体以其优良的光学特性和机械性能以及可利用半导体激光器直接进行泵浦等优点，而成为可获得偏振输出的小型化全固态皮秒激光器的理想增益介质。高功率、高重复频率输出的皮秒激光器往往不易同时获得优异的光束质量，即难以同时兼顾高功率和高亮度的输出要求。为了研发出性能稳定，高功率，高光束质量的皮秒激光器以满足各种应用的需求，本论文针对振荡器的基模动态稳定腔优化设计和放大器中的寄生振荡抑制问题开展了基于Nd∶YVO4和Nd∶GdVO4晶体的高重复频率、高功率、高光束质量的皮秒激光系统的相关技术研究工作。取得的主要研究成果如下:　　1、适用于不同输出功率范围的三种基模谐振腔设计方法。　　对含有热透镜的谐振腔采用等效腔的方法模拟分析了影响模式大小及激光器稳区范围的相关因素，重点对比了平平热稳定腔中两臂长的作用及凸平热稳定腔中腔镜曲率半径的影响，提出了适用于不同输出功率范围的三种基模谐振腔设计方法，为锁模振荡器的设计提供了理论依据。　　2、新型σ偏振泵浦的高功率Nd∶GdVO4振荡器。　　创新性地提出了σ偏振泵浦的方法，使得激光晶体中的热梯度大大降低。充分利用该泵浦方法并结合Nd∶GdVO4晶体良好的热特性，使得激光晶体所能承受的泵浦功率大大提高，并且进一步赋予基模谐振腔设计方案更大的自由度，使得采用单块短晶体并以凸平腔作为基本谐振腔型的实现成为可能。结合σ偏振和以凸平腔为基本腔型的基模谐振腔设计方案，我们采用Nd∶GdVO4块状晶体搭建了一个高功率的被动锁模皮秒振荡器。在稳定的锁模运转下，该振荡器输出的最大功率为37W，此时吸收的泵浦功率为73 W，对应51％的转化效率。实验中采用多种不同的输出耦合镜以优化输出情况，获得的脉冲宽度在11.2 ps和19.3 ps之间，光束质量均接近衍射极限，M2＜1.05。实验结果验证这种新的σ偏振泵浦方法与我们的谐振腔设计方案二者之间的有机结合能够实现高泵浦功率下输出效率和光束质量之间十分优异的平衡，对于高功率振荡器的设计具有重要的指导意义。这是目前报道的基于该晶体的振荡器获得的最高输出功率。　　3、一种新型的抑制寄生振荡的DP-Innoslab放大器。　　该方案提出了一种新的分立路径法(DP-Innoslab)来消除Innoslab放大器中的寄生振荡效应并且很好地抑制了放大的自发辐射(ASE)。传统的Innoslab放大器中，由快轴方向互相平行的反射腔镜所控制的几通光束在进行放大时全部分布在同一平面内，高增益特性往往导致寄生振荡的产生，通常需要借助种子光的注入才能进行抑制。我们的新技术方案使得Innoslab放大器中的几通光束分布在几个分立的平面内，快轴方向没有任何两个反射镜之间互相平行，寄生振荡效应得到了很好的抑制，从而Innoslab放大器具有的高增益特性和均匀的增益分布得以保留。在该技术方案下，即使在没有种子光注入的情况下也没有寄生振荡发生。基于Nd∶GdVO4晶体，我们得到了99W，12.4 ps，81 MHz的TEM00模输出，放大器的能量抽取效率为42％，并且很好地保持了振荡器优异的光束质量，光束质量因子测量结果为M2x=1.09和M2y=1.07。实验结果证明DP-Innoslab放大器能够实现高提取效率和衍射极限的光束质量。这是目前已知报道中基于Nd∶GdVO4晶体获得的皮秒量级的最高输出功率。　　4、高光束质量高重复频率Nd∶GdVO4振荡器。　　采用基模谐振腔方法，设计了优异的模式匹配腔型，获得了近衍射极限光束质量的高重频Nd∶GdVO4振荡器。实验中采用非偏振泵浦的方式，在最大吸收泵浦功率19.7W的条件下得到了10.8W的最大输出功率，输出的锁模脉冲重复频率为56 MHz，脉冲宽度16.1 ps，两个方向的光束质量因子M2均为1.02。实验验证了我们的基模谐振腔设计方案在优化锁模特性方面的可行性及灵活性。该结果是目前报道的非偏振泵浦条件下基于单个块状Nd∶GdVO4晶体的皮秒振荡器获得的最高输出功率。　　5、高光束质量微焦量级输出的Nd∶YVO4振荡器。　　基于端面泵浦的Nd∶YVO4晶体和MPC腔延长腔长，利用SESAM进行被动锁模，获得了单脉冲能量微焦量级的皮秒振荡器。在吸收泵浦功率13.9W、输出透过率30％的条件下，实现了8.3W的连续锁模(CWML)输出，输出的脉冲重复频率为63.8 MHz，对应单脉冲能量为130nJ。进一步以保Q型的MPC腔插入谐振腔中，在保持腔内的激光模式不变的情况下，增大输出的单脉冲能量。通过优化MPC腔，得到了平均功率6.7W、重复频率6.3 MHz、单脉冲能量1.1μJ且脉冲宽度16.4 ps的连续锁模脉冲输出。其两个方向的光束质量因子均不大于1.1。　　6、新型晶体Nd，Y∶SrF2激光性能研究。　　基于两种掺杂浓度的新型晶体Nd,Y∶ SrF2，在793 nm的半导体激光器泵浦下，获得1056.9 nm的输出。掺杂浓度为0.43 at.％的晶体样品在2.2W的泵浦功率下获得的最大输出功率为1.0W。相应的斜效率为53％。掺杂浓度0.15 at.％的晶体样品在吸收泵浦功率1.5 W的情况下获得464 mW的输出功率，斜效率为36.1％。改进的腔型在提高了输出效率的同时也获得了良好的光束质量。波长调谐范围为1049.7 nm-1059.1 nm。实验验证了该晶体优良的激光性能。