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随着对全固态激光器的不断深入研究,人们不仅注重研究时域上的超短脉冲,同时也在探索拓宽激光频谱范围的方法。自锁模效应与晶体本身的三阶非线性效应有关,近十年来基于自锁模效应的皮秒激光被应用于通信、医疗生物学、微纳加工、非线性光学以及光学时钟等领域。受激拉曼散射技术也与晶体本身的三阶非线性效应有关,作为一种高效的光学频率变换手段,有效地拓宽了激光频谱范围。进入21世纪之后出现了自受激拉曼激光器,将激光晶体与拉曼晶体合二为--,使得激光器体积更小、运转更稳定,已经成为国际拉曼激光器的研究热点之一。本论文根据全固态自锁模激光器以及自受激拉曼激光器的发展方向和存在的难点,利用Nd:YVO4和Nd:GdVO4晶体,率先在国内展开对皮秒自锁模激光器的理论及实验方面的研究。不仅在一定程度上填补了皮秒自锁模激光领域中存在的空白,还创造性地将自锁模技术与自受激拉曼技术结合,研究实现了皮秒自锁模自受激拉曼激光器,并此基础上完成了腔外二次谐波黄光输出。主要研究内容和创新点如下:第一,研究了自锁模激光器的关键理论和设计规律,数值模拟了相关热效应对激光器的影响、自锁模激光器稳定运转及自启动的条件等;研究了自锁模激光器内非线性锁模现象的产生原因;理论研究了单增益介质的自锁模自受激拉曼效应激光动力学过程,自行探究了这类激光器的设计理论和规律;研究了像散模式转换器实现自锁模涡旋激光器运转的相关理论。第二,研究了新型的亚吉赫兹皮秒自锁模激光器,并为后续的实验设计积累了相关的经验。首先利用非对称Z型腔实现了三次谐波自锁模激光输出,平均输出功率为2W,光-光转换效率为25%。接下来进一步优化设计Z型对称腔,成功实现了稳定的亚吉赫兹自锁模激光输出,锁模激光平均输出功率为1.65W,斜效率为23.8%,重复频率为530MHz,脉宽为15.1ps。第三,自行研究了稳定的皮秒自锁模绿光激光器,首先探究了腔长对自锁模绿光稳定性的影响,然后利用凹平腔实现了稳定的皮秒532nm激光输出,并研究了在腔内引入其它非线性效应对自锁模激光器稳定性的影响,为后续的实验积累了经验。稳定的连续锁模绿光平均输出功率为258mW,斜效率为4.5%,重复频率为1.1GHz,平均振幅抖动小于8%。第四,创新性地研究了高克尔灵敏度自锁模自受激拉曼频移激光器,即利用一块激光晶体本身具有的性质实现增益介质、拉曼晶体和锁模元件三个作用。首先利用Nd:YVO4晶体实现了皮秒自拉曼1176nm的激光输出,拉曼光平均输出功率、重复频率、基频光脉宽和斜效率分别为643mW、1.53GHz、8.6ps和8.2%。此外,结合LiB3O5晶体腔外倍频技术实现了 6mW的黄光输出。又利用Nd:GdVO4晶体实现了 1173nm皮秒自锁模激光器运转,锁模平均输出功率、重复频率、斜效率、基频光脉宽以及黄光功率分别是736mW、1.51GHz、8.3%、12.5ps以及7.65mW。第五,将皮秒自锁模技术与腔外像散模式转换器结合,成功实现了 1064nm的Nd:YVO4自锁模涡旋光输出。最终在实验中观察到LG02模时可以实现稳定的自锁模脉冲激光,平均输出功率、重复频率和斜效率分别是1.27W、1.81GHz和24%。