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脉冲宽度为几皮秒至几十皮秒的超快激光在科学研究、生物医疗和工业加工中都有着广泛的应用,其中通过激光二极管泵浦的全固态皮秒激光器具有体积小、成本低、寿命长等优点,并且Nd:YVO4晶体也具有成本低、物理特性好、发射截面大等优点。采用半导体可饱和吸收镜被动锁模技术,基于Nd:YVO4的皮秒激光振荡器可以输出重复频率为MHz至GHz的锁模脉冲序列,再经过放大和非线性频率变换后,就可以得到具有高平均功率、大脉冲能量和不同波长的皮秒激光。本论文主要对二极管激光器泵浦的全固态高重频Nd:YVO4皮秒激光的产生、放大和频率变换进行了深入研究,并在这些研究的基础上进行了部分设备化研究,同时完成了多台超快激光器样机的设计与搭建。高重频Nd:YVO4皮秒锁模激光在生物成像、高速光通信和高重频光学频率梳等科学研究中有着广泛的应用。为此开展了高重频Nd:YVO4皮秒锁模激光研究,并设计搭建了高重频Nd:YVO4皮秒锁模激光器,激光器由高重频振荡器和单通放大器组成,最终实现了3.24 GHz重复频率,11.38 W平均功率、11.4 ps脉冲宽度的高重频皮秒锁模激光输出。据我们所知,这是目前国际上GHz皮秒锁模激光实现的最高平均功率,相关工作已经发表在Chinese Physics B,2019,28（5）:054205上。重频倍增的高重频Nd:YVO4皮秒激光可以通过倍频产生高重频皮秒绿光,其可以作为高重频光学参量振荡器的泵浦源。为此开展了重频倍增的高重频Nd:YVO4皮秒激光的产生和倍频研究,并设计搭建了重频倍增的高重频Nd:YVO4皮秒激光器;激光器由种子源、四级重复频率倍增器、两级单通放大器和倍频部分组成。种子源为一个商用皮秒振荡器,其重复频率为68 MHz,平均功率为2 W,脉冲宽度为8.3 ps;最终得到了1.08 GHz重复频率、10.16 W平均功率、8.7 ps脉冲宽度高重频皮秒激光,并通过KTP晶体倍频后得到了2.51 W的高重频皮秒绿光,倍频效率为24.7%。据我们所知,这是目前国际上首次实现的皮秒高重频激光倍频输出。Nd:YVO4皮秒高重频放大激光是一种理想的科学研究与工业加工光源,可以用于光学参量放大、同步泵浦、激光加工等领域,特别是在硬质材料切割领域有着独特的优势。为此开展了Nd:YVO4皮秒激光高重频放大和频率变换的研究,并设计搭建了Nd:YVO4皮秒高重频激光放大器。激光器由种子源、高重频再生放大器、两级单通放大器和频率变换部分组成。最终得到了500 kHz重复频率、24 W平均功率、13.4 ps脉冲宽度的放大激光。并且在输入基频光平均功率为23.2 W时,利用LBO晶体实现了12.7 W的绿光和9.25 W的紫外激光,对应的倍频与三倍频效率分别为54.7%和39.6%。相关结果已经发表在物理学报2019,68（12）:124205上。当皮秒激光用于工业生产或科学研究时,就需要设计出稳定可靠的皮秒激光器产品。为此,在高重频皮秒激光研究的基础上,进行了可视化激光器外壳设计方法和粘贴式固定镜架等设备化研究,并利用这些设备化研究成果设计并搭建了包括紧凑型高功率Nd:YVO4皮秒振荡器粘贴镜架样机等在内的多台超快激光器样机。这些样机已经交由多家单位使用,并取得了不错的反馈。