半导体泵浦碱金属蒸气激光器(DPAL)是一种新型光泵气体激光器，因其具有量子效率高、光束质量好、易于实现小型化、输出波长在大气传输窗口以及具备高功率输出及定标放大潜力等优势而备受关注，同时也在十余年间获得了快速的发展。本文主要从DPAL（包括宽带泵浦碱金属准分子激光器，XPAL）激光器系统的工作特性、参数最佳化选择等方面开展理论和实验研究，试图找到影响DPAL参数相互耦合影响输出特性的关联，为DPAL在高功率运转时提供参数最佳化解决方案。　　突破泵浦阈值是进行DPAL实验研究的前提条件，而采用不同的泵浦结构可以释放DPAL的输出潜力，因此本文首先理论研究了不同泵浦结构下的泵浦阈值特性，对于端面泵浦结构，基于三能级模型结合惠更斯-菲涅尔衍射积分公式，利用分步光束传播方法(Split-step Beam Propagation Method)首次建立了用于模拟研究端面泵浦KRbCs-DPAL阈值特性的3D理论计算模型。该模型同时考虑了光束传播及光与物质相互作用，利用迭代算法求解，并将激光器腔模与泵浦光模式匹配纳入考量，着重研究了单端泵浦铷蒸气激光器内部的三维动力学过程以及模式匹配对泵浦阈值的影响。同时本文针对横向泵浦结构建立的横向泵浦KRbCs-DPAL激光器阈值计算模型首次详细研究了横向泵浦铷蒸气激光器的泵浦阈值特性。利用模型，结合实际参数，数值模拟了铷蒸气室长度、温度、缓冲气体压强及组份配比、聚焦透镜焦距以及谐振腔诸参数等因素对横向泵浦铷蒸气激光器泵浦阈值的影响。　　XPAL作为一种新型DPAL，因其实现方式有助于改善KRbCs-DPAL激光器所面临的吸收线宽与半导体泵浦线宽不匹配、高温下烷烃类缓冲气体易与碱金属发生化学反应等技术难题而备受关注。其在连续工作状态下的运转特性及输出潜力对该类型激光器的应用前景和实验都具备重要的意义。因此本文建立了基于速率方程的连续波半导体激光器泵浦的XPAL理论模型，并采用迭代算法求解。利用模型，本文详细数值分析了具有代表性的Cs-Ar构成的四能级XPAL系统中泵浦阈值特性和激光输出特性与各影响参数之间的关系，并给出了该类激光器的理论输出极限。　　影响DPAL激光器输出特性的参数主要有蒸气室长度、蒸气室温度、缓冲气体压强及配比、泵浦光线宽、泵浦光功率和谐振腔参数。实验表明上述影响参数往往耦合影响输出特性，不同参数的选取存在最佳的匹配关系，因此探究激光器参量对输出特性的耦合影响关系有助于理解激光器工作机制及优化实验参数。本文建立统一的稳态速率方程模型，并采用相同的迭代算法对DPAL理论模型进行求解。详细分析和比较了不同参数对端面泵浦碱金属激光器的影响规律。针对相互耦合影响碱金属激光器输出特性的三类影响因素（增益介质参数、腔参数和泵浦参数）进行了详细归纳分析研究，并提出了对碱金属激光器具有普遍意义的，可用于效能估计和参数选择的nL参数。理论分析表明，1、对于DPAL系统（包含XPAL系统），在nL参数一定的情况下，系统具有相同的输出特性;2、nL参数决定了系统的最高输出效率，且具有更高nL参数的DPAL系统可以实现更高光光效率;3、nL参数确定的DPAL系统，存在一个最佳泵浦光功率密度使系统效率达到最高，更高的nL参数对应更高的最佳泵浦光功率密度。　　实验方面，本文首先制定并分析了用于泵浦RbCs-DPAL的半导体泵浦模块搭建方案，包括使用VBG和平面全息光栅两种压窄线宽的方案。实验搭建了三组泵浦源，分别测量了其窄线宽输出特性和光束整形效果。为了验证本文在理论研究中得到的各参数对激光输出特性的影响规律以及nL参数理论与实验的吻合性，本文搭建了Rb-和Cs-DPAL激光器作为实验平台并分别进行了输出特性测试和参数选择研究。实验着重探究温度、蒸气室长度和泵浦光功率对激光器输出特性的影响以及与理论仿真结果的比对。结果表明本文提出的nL参数不仅可以用来表征激光器系统的输出潜力，还可以用来定量预测在特定条件下的最佳温度等关键参数，为nL参数的实际应用提供了实验依据。通过实验理论对比输出耦合率、模式匹配对DPAL输出功率的影响，表明本文建立的理论模型可以对DPAL激光器输出特性作出定量预测。最后以半导体叠阵泵浦Rb-DPAL激光器为实验平台进行了脉冲泵浦实验，定量观测到了在ms级脉冲宽度内的功率衰减现象。根据实验结果指出，当泵浦脉冲宽度大于1.5ms时会出现明显的功率衰减现象。同时结合实验中遇到的玻璃泡窗口污染问题，指出使窗口片污染是由多个脉冲累计的废热引起。据此提出在增益介质非流动状态下，于蒸气池外部加入风冷的技术方案，用以减小窗口污染的可能性。　　在本文的最后，针对高功率泵浦条件下遇到的窗口片污染问题，提出了用于DPAL激光器的基于傅里叶变换红外光谱技术甲烷气压定量分析方法。同时利用有限元分析和数值计算模型，分别分析了激光对窗口片辐射和激光形成过程中产生的废热对窗口片碳粒污染的影响，并依据分析结果提出了缩小透光面积、增大对流换热的方法以减小激光区域的热积累。