高功率、高光束质量的固体激光器在工业材料加工领域有着广泛的应用,光泵浦过程中产生的热效应导致谐振腔的光腔特性呈现动态变化特性,并导致激光器输出激光的光束质量下降,本文围绕着如何得到高输出功率及高光束质量这一课题,对高功率固体激光器的动态运行特性、热效应对光束质量的影响以及目前发展极为迅猛的二极管泵浦固体激光器的关键技术,进行了深入、全面的理论和实验研究。首先,采用光学矩阵方法对固体激光器谐振腔的动态工作特性进行了理论研究,得到了谐振腔的稳区范围与谐振腔结构参数之间的关系,并通过实验验证了上述理论。其次,引入了谐振腔 p 参数,并利用 p 参数推导了谐振腔输出光束的光斑直径、光束发散角、光束质量乘积等参数,分别计算了球面谐振腔、平行平面腔等不同腔形时的激光参数。理论分析结果表明,谐振腔的稳区范围越小,其激光输出的光束质量越好,因此,要获得较高的光束质量,就必须减小稳区范围,以牺牲激光器的输出功率为代价。采用光学矩阵研究了多棒串接的谐振腔的动态运行特性,给出了多棒串接的谐振腔动态稳定范围的表达式,得出了只有采用对称布置的平行平面腔,且棒与棒主面之间的距离为棒主面与谐振腔镜之间距离的两倍时,谐振腔才能在较宽的泵浦功率范围内稳定运行,棒主面与谐振腔镜之间的距离越短,稳定区范围越大。通过二棒串接和三棒串接的实验验证了理论分析的结果,激光器在较宽的范围内稳定工作,双棒串接的激光器最大输出功率为 840W,三棒串接的激光器最大输出功率为 970W。通过实验详细测量了二极管激光器的运行特性,得到了水温、工作电流对二极管激光发射波长的影响;通过对二极管激光器侧面泵浦激光介质的分析研究,建立了二极管泵浦光在 Nd:YAG 棒内分布的数学模型,采用光线追踪法模拟计算出在不同泵浦参数下二极管泵浦光在 Nd:YAG 棒内的分布情况,得到了圆周上泵浦模块的个数,泵浦光发散角、吸收系数等因素对泵浦光分布均匀性的影响,为设计聚光腔提供了依据。最后,根据理论计算结果,采用准直透镜耦合泵浦光和直接泵浦两种方式,分别 I<WP=5>设计了三种不同功率水平的二极管泵浦的 Nd:YAG 固体激光器聚光腔,得到了 37W、170W、800W 的输出功率,并对激光器的输出特性进行详细测量,最大光-光效率达37%。