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随着高亮度InGaAs激光二极管(LD)的迅速发展，其输出功率、稳定性的不断提高及成本的下降，以及人们对激光器高效、高功率、小型化、集成化的追求，适应这一泵浦波段的掺Yb3+激光晶体研究受到了人们的广泛关注。Yb3+离子是能级结构最简单的激活离子，电子构型为4f13，仅有一个基态2F7/2和一个激发态2F5/2，两者的能量间隔约为10000cm-1。由于在这个能级之上不存在任何其他激光态能级，因而可以有效地避免上能级转换、激发态吸收和弛豫振荡等激光能量损耗。而且，相比Nd3＋激活离子，Yb3+离子具有更长的能级寿命，储能能力更强。更为重要的是，Yb3+离子具有更宽的吸收和发射光谱，其吸收带在900～1000nm范围，能与InGaAs LD泵浦源(870～1100nm)有效耦合，且吸收带较宽，使得LD泵浦源不需要复杂的温度控制系统；而宽的发射光谱又使得掺Yb3+激光材料更适合实现可调谐连续输出和超快激光运转。因此，掺Yb3+激光晶体是发展新型全固态低阈值、高功率和宽调谐超快激光的首选增益介质。
激光器由于温度场的随机变化、构成谐振腔的元器件的微蠕动，导致谐振腔发生变形，造成激光器发射光束的漂移。在靶场实验中，激光光束大多数都需要经过一段相当长的路径才能进入靶室；还有些实验需要相当长的数据采集时间以获得准确的实验结果。在这些情况下，激光束的微小漂移都将导致十分可观的偏差，造成实验数据的准确度下降。在微细加工领域，光束方向的稳定性更直接关乎加工的精度。因此，激光自动准直系统已经是激光实验中不可或缺的一部分。
本论文主要围绕掺Yb3+激光晶体的激光特性展开，研究了不同基质掺杂比例、不同切割方向的Yb：GYSO晶体，不同厚度的Yb：LuAG晶体，Yb：YAG激光陶瓷，Yb：YAG复合晶体的连续运转特性及波长调谐特性。同时，对激光自动准直系统也做了一定的探索。主要研究成果如下：
1.采用波长976nm的LD作为泵浦源，对不同的基质掺杂比例、不同切割方向的Yb：Gd2xY2(1-x)SiO5(Yb：GYSO)混晶的激光特性进行了光谱分析和实验研究。光谱分析和实验均表明，对于x=0.1的Yb：GYSO晶体，垂直生长轴切割的样品，其激光性能要明显优于平行生长轴切割的晶体；在9W的泵浦功率下，输出功率达3.13W，对应的斜效率为44.68％；在输出耦合镜T=9％，8W的泵浦功率下，得到了迄今为止Yb：GYSO晶体最大连续调谐范围：1014-1085nm。
2.采用波长938nm的LD作为泵浦源，对不同厚度的10at.％Yb：LuAG晶体进行了光谱分析和激光实验。最大输出功率达3.23W，对应的斜效率为48.6％；在1033nm-1079nm波段实现连续调谐输出，最高转换效率达到55％。
3.研究了LD泵浦的Yb：YAG陶瓷激光器、Yb：YAG复合晶体激光器的输出特性。在9W的泵浦功率下，Yb：YAG陶瓷激光器获得了1.63W的激光输出，对应的斜效率为23.2％。在6.15W的泵浦功率下，Yb：YAG复合晶体激光器，获得了1.354w的激光输出，对应的斜效率为25.3％。
4.设计了一个新型的激光角度自动准直系统。通过原理上严格保证空间过两点有且只有一条直线原理的适用性，只需对一个点采样，即获得理想的准直光束输出。采样速率快，减小了系统误差并降低了成本；通过两个带压电陶瓷镜座的联动，可使光路准确回归基准的过程一步到位。