激光二极管泵浦的高功率固体激光器,具有效率高、结构稳定、光束质量较好等优点,在军事、工业、医疗等领域具有广泛的应用。传统的圆棒状高功率固体激光器,由于晶体热效应等影响,限制输出功率,降低光束质量,板条和薄片等增益介质能够有效抵消晶体内部的温度梯度,更适合应用于高功率固体激光器。结合板条和薄片状增益介质的优点,设计了新型表层掺杂板条,准三能级Yb:YAG材料作为增益介质,来提高单模块的输出功率,进而提高激光器输出效率。本文从理论上分析了影响表层增益板条激光器输出的因素,对室温条件下运转的激光振荡器和放大器进行理论分析和实验研究,采用条纹镜/偏振片复合拼接的泵浦耦合系统,实现Yb:YAG表层增益激光器的高效输出。通过对比Nd:YAG和Yb:YAG晶体的能级结构特点,作为准三能级的Yb:YAG晶体,更适合于高功率连续激光器运转;此外,在激光作用过程中,放大自发辐射或寄生振荡会严重影响激光器的输出功率和光束质量,简单分析了抑制寄生振荡方式;同时,对激光光束在板条内部填充因子进行理论分析,板条切割角度为45°,入射角为22°,来保证光束在板条内部有较大的填充比;最后,为了提高泵浦功率密度,采用条纹镜/偏振片复合拼接的泵浦耦合系统,大、小两种泵浦耦合结构,泵浦功率密度分别达到43kW/cm~2和50kW/cm~2。通过以上的分析,完成了激光器输出功率和效率的数值模拟。在激光器的理论及实验研究中,大板条尺寸为120mm×28mm×2mm,用于表层增益激光振荡器,小板条尺寸为67 mm×11 mm×1.7 mm,用于激光放大器。对于激光振荡器:为验证其输出能力,低重频运转,输出激光能量达20.54J,光光转换效率高达50%;连续激光器运转,在泵浦功率为25kW时,输出功率达7.01kW,光光转换效率为28%;对于激光放大器:泵浦功率达11kW,种子光功率200W条件下,单双通提取输出功率分别为1.6kW和2.6kW,光光转换效率为12.8%和22%。实验没有测试输出激光的光束质量,这里用波前来衡量,激光振荡器和放大器测得透射波前的峰谷值分别为0.85μm和1.3μm,结果表明表层增益板条所引起的波前畸变较小,有希望获得高光束质量输出。所得到的实验结果与理论分析较一致,若进一步改善相关工艺,表层增益板条增益介质有望实现更高功率、高效率的激光输出。