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高功率全固态光参量振荡器(OPO)具有高平均功率和宽调谐等优点，属光参量振荡器的重大发展方向之一，在生物医学、光谱学、材料加工、科学研究及国防等方面有广阔的应用，已成为近年来的研究热点。本论文在理论上发展了高功率纳秒(ns)OPO特性的理论模型，计算了最佳参数，模拟了光束发散性的影响；在实验上实现了nsLBO-OPO高平均功率、高转换效率及宽调谐输出；对紧凑结构OPO的高效率直接泵浦源—大功率垂直腔面发射半导体激光器(VCSEL)—在理论上对其最佳参数优化及热管理进行了计算和分析，以此为依据进行优化设计，提高器件性能，得到高功率输出。论文有以下创新之处：
1.发展了高功率nsOPO特性的理论模型，首次将此模型用于分析CPMBBO-OPO和NCPMLBO-OPO泵光光束发散性对转换效率的影响，结果表明光束发散强烈影响最佳泵浦强度、最佳晶体长度和OPO转换效率，光束发散对BBO-OPO的影响比对LBO-OPO的影响大。其结果提供了优化OPO设计参数的依据。
2.对高平均功率nsOPO的相位匹配、谐振腔设计和模式匹配做了详细研究，通过优化设计，采用532nm大功率全固态绿光做泵浦源，我们研制的LBO-OPO激光器在腔内泵浦功率为18W时得到900nm输出9.4W，对应信号光效率52％，为信号光最高转换效率，最高信号光功率达到13.5W；采用更高功率泵浦源在860nm的输出功率达到18W，为nsLBO-OPO的国际最高水平。
3.通过改变LBO-OPO的晶体温度得到778-1036nm的宽调谐输出，并采用新型非线性光学晶体BiBO进行走离补偿倍频，得到瓦级可调谐蓝光全波段(450-495nm)输出。
4.首次对高功率nsLBO-OPO信号光的光束质量进行了测量分析，表明在泵浦光光束质量M2=9.5的情况下，信号光的光束质量主要取决于泵浦光的光束质量，二者比较接近，并可以得到较高的OPO转换效率和高平均功率输出。
5.对OPO的高效率直接泵浦源VCSEL，在理论上详细研究和分析了有源区量子阱层数、有源区直径、材料热导、串联电阻和电极间距等对VCSEL器件性能的影响。通过对设计参数进行优化，与长春光机所合作，我们研制的980nm高功率VCSEL器件，在输出窗口为500μm直径时，连续波光功率输出达到1.95W，经中国科学院成果鉴定，该指标处于国际领先水平。