高功率钛宝石激光系统使强场物理以及许多科学研究成为可能,但是随着激光系统能量的升高,增益晶体的热效应变得越来越明显,这不但会增大脉冲波前畸变,也会对晶体和光路中的其他光学元件构成威胁,因此研究晶体的热效应已经成为大型激光器设计中的重要工作之一。　　 本论文选题来源于国家重点基础研究发展计划(973)项目(2007CB815100)和国家自然科学基金委资助项目,旨在研究高功率钛宝石激光系统中热效应的产生机理及其对输出脉冲空间光斑尺寸和波形的影响,并采用液氮冷却方法对激光输出进行改造,主要包括对冷却前后晶体温度场和输出脉冲波形的理论分析、数值模拟和实验探测。具体研究内容、方法和结果如下:　　 1、分析了单次脉冲和多重复频率泵浦时的含时热传导方程,并给出了单次脉冲泵浦下晶体温度场的解析表达式；对几种常见的热效应及其对介质折射率的影响进行了概述,推导出热效应对光束传输方程影响的具体表达形式；引入了光线矩阵以表达光学元件和传输介质对光脉冲的影响,并给出了光束经过光学元件或传输介质的Collins衍射公式,为数值模拟和实验探测提供了理论依据。　　 2、通过求解热传导方程计算出了钛宝石晶体温度场随时间空间演化的趋势,讨论了泵浦光重复频率和能量对热稳定后晶体温度的影响；通过对带有热效应项的光束传输方程的计算,得出了热效应影响下光脉冲的空间分布,讨论了输出光束质量(包括光斑半径、脉冲强度和输出能量)以及热透镜焦距随泵浦能量的变化；明确了泵浦脉冲重复频率与晶体热迟豫时间的关系是热效应是否存在于晶体中的量度。　　 3、设计了液氮冷却增益晶体的腔体,探测了300K和77K下、5kHz高功率泵浦钛宝石晶体的热效应对探测光光斑大小和波前的影响,进而获得了与数值模拟相同的脉冲光斑随泵浦功率演化的趋势；通过同时测量离焦量和高阶像差对脉冲的空间尺寸影响对这种演化趋势进行了解释,补充了热效应引起的高阶像差对脉冲的影响,确定了低温冷却对激光系统输出质量改善的重要性。