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半导体泵浦高功率全固态皮秒激光器在国防、微加工、医疗和激光变频等领域有重要的应用。本论文针对研制高功率高效率全固态皮秒激光器的难点及皮秒激光变频应用中的三阶非线性光学效应问题，广泛深入地研究了高平均功率、高效率、高光束质量全固态皮秒激光的产生，包括百兆赫兹及吉赫兹重复频率的半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模1064nm激光产生技术、SESAM锁模1342nm激光产生技术、谐频锁模(HML)激光产生技术和Inno-slab皮秒激光放大技术；进行了非线性光学晶体的三阶非线性光学性质研究以促进超短脉冲激光变频的动态过程分析，包括三阶非线性光学性质的测量方法Z-扫描技术的理论研究、新型深紫外晶体KBe2BO3F2(KBBF)和新型紫外晶体BaAlBO3F2(BABF)的三阶非线性光学特性的实验研究。取得创新性成果如下：
1.百兆赫兹和吉赫兹重复频率的高功率高效率SESAM锁模1064nm Nd：YVO4皮秒激光振荡器的研究：首次同时采用键合YVO4/Nd：YVO4晶体和880nm低量子亏损泵浦技术实现了77MHz重复频率的SESAM锁模激光器，最高输出功率10.5W，光光效率和斜效率分别为42.1％和53.4％，光束质量M2≤1.5，脉宽33ps[论文发表在Chin.Opt.Lett.9(2011)041405]；采用880nm低量子亏损泵浦技术，实现了结构紧凑的1GHz高重复频率SESAM锁模Nd：YVO4激光器，最高输出功率7.8 W，光光效率和斜效率分别为39.9％和40％，光束质量Mx2=1.49，My2=1.10，脉宽21.4 ps。
2.首次采用880 nm低量子亏损泵浦技术完成了高功率高效率SESAM锁模1342nm Nd：YVO4皮秒激光振荡器的研究：重复频率76MHz，最高输出功率2.3W，光光效率和斜效率分别为19.0％和23.9％，光束质量Mx2=1.68，My2=1.59，脉宽29.2 ps[论文发表在Opt.Lett.36(2011)1485]。
3.首次基于Nd：YVO4晶体的三阶非线性完成了高功率高效率高光束质量的十阶HML1064nm Nd：YVO4皮秒激光振荡器研究：重复频率1GHz，最高功率10.4 W，光光效率和斜效率分别为41.8％和78.1％，光束质量M2<1.2，脉宽30ps[论文发表在Laser Phys.21(2011)367]。
4.大功率皮秒激光放大器研究。优化设计了端泵Inno-slab Yb：YAG皮秒激光放大器，设计输出功率为百瓦级。
5.Z-扫描技术测量三阶非线性光学性质的理论研究。基于广义惠更斯-菲涅耳原理，推导出了新的光强透过率与非线性折射及非线性吸收之间的解析表达式。公式简单直观全面，处理数据效率高于现有理论[论文发表在JOSA B26(2009)2125]。
6.采用Z-扫描方法首次对新型深紫外KBBF、紫外BABF晶体的三阶非线性光学性质进行了实验研究。利用532nm和355nm两个波长的皮秒激光器测量了KBBF的三阶非线性性质，测得两个波长处非线性折射率数量级为n2～10-15cm2/W，并且532nm比355nm处的n2值要大，相应的有效三阶非线性极化率为x(3)eff～10-13esu；利用532nm皮秒激光器测量了BABF的三阶非线性性质，测得非线性折射率数量级为n2～10-16cm2/W，相应的有效三阶非线性极化率为X(3)eff～10-14esu。该研究除了对这两种重要非线性光学晶体中超短脉冲非线性频率变换的动态过程分析具重大意义，对全面表征它们的光学性质也有重要价值。