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高功率、半导体激光泵浦的全固态超快激光器由于其结构紧凑、效率高、峰值功率高等优势在工业、医药和科研等众多领域有着广泛和重要的应用，如生物物理学、化学光谱仪、非线性光学和微加工等。另外，更高的重复频率意味着更短的加工时间，在工业和生物医药等微加工方面也是所需要的。与飞秒激光相比，皮秒脉冲以其低成本、高稳定性、小的热加工区域和对材料的低损伤等在高精度的材料加工上显示了其独特的优势。因此，脉冲能量微焦、重复频率MHz量级的皮秒激光系统得到了很大的关注。 Nd离子掺杂的晶体由于其大的吸收系数和发射截面、相对较宽的增益带宽和高离子掺杂浓度等优点，被认为是集成化的全固态激光器的理想增益介质。以掺杂Nd离子的晶体作为增益材料、结合被动锁模的元件SESAM，可用于搭建产生稳定皮秒脉冲的激光器。但是从一个锁模振荡器直接产生的脉冲能量一般较低，在纳焦量级，限制了其在科学和工业等领域上的应用。而腔倒空技术能够在保持激光系统紧凑的条件下，在单个谐振腔内实现脉冲能量微焦、重复频率MHz量级的激光脉冲输出。 本论文基于Nd离子掺杂的主要晶体如Nd∶YVO4，Nd∶GdVO4和Nd∶LuVO4晶体，进行高功率、高重频腔倒空式全固态超快激光器的研究。这类激光系统中，没有任何脉冲展宽和压缩元件，可有效地减少系统的复杂程度且提高整体的稳定性。取得的主要研究成果如下: 1.基于双Nd∶YVO4晶体、SESAM被动锁模的腔倒空式皮秒振荡器。在总泵浦功率46 W、耦合透过率14％的实验条件下，实现了19W的连续激光(CW)输出。保Q型的MPC腔可有效地延长整个谐振腔的腔长、降低谐振腔的重复频率，同时在保持腔内的光斑模式不改变的情况下，增大脉冲能量的输出。通过设计合适的MPC腔，得到了平均功率12W、重复频率7.24 MHz、脉冲宽度8.4 ps的连续锁模(CWML)输出。同时结合腔倒空技术，最终获得了重复频率为100 kHz、脉冲能量为16.2μJ、脉冲宽度为8.4 ps的超快激光输出。输出的脉冲通过聚焦后用于烧蚀白宝石片，结果表明腔倒空式的皮秒振荡器在微加工领域具有很高的应用前景。且由于其输出的脉冲能量较高，可直接作为能量放大系统的种子源。 2.基于Nd∶GdVO4晶体腔倒空式被动锁模的皮秒振荡器。在晶体总吸收功率42 W的条件下，实现了28 W(CW)和23 W(CWML)的激光输出。通过MPC腔延长腔长，实现了平均功率19W、重频8.1 MHz、脉冲宽度8.94 ps的大能量脉冲激光输出。在腔倒空阶段，在300 kHz时最大的脉冲能量为34.7μJ;1 MHz时脉冲能量为16.22μJ，其脉宽分别为7.0 ps和8.55 ps，是当时已报道的腔倒空式锁模激光系统输出的最高的脉冲能量和平均功率。同时，构造一个理论模型分析SESAM被动锁模的腔倒空系统的动态演化过程。且更高的脉冲能量输出有望通过优化MPC腔反射率、合适的泵浦条件及倒空频率来达到。 3.基于Nd∶LuVO4晶体、SESAM被动锁模的腔倒空式皮秒振荡器。在晶体总吸收功率44 W的条件下，实现了31.6 W(CW)和28 W(CWML)的激光输出。通过插入MPC腔，实现了平均功率24 W、重频12.1 MHz、脉冲宽度5.5 ps的激光脉冲输出。在腔倒空的条件下，重复频率分别为300 kHz、600 kHz、4 MHz和1.5 MHz时，分别获得了40.7μJ(12.2 W)、29.3μJ(17.6 W)、20μJ(20W)和14.3μJ(21.4 W)的脉冲能量。而在300 kHz时，脉冲宽度最窄，为4 ps。这是当时已报道的Nd∶LuVO4晶体振荡器输出的最高的脉冲能量和平均功率，实验证明了Nd∶LuVO4晶体作为高功率全固态激光器增益介质的优秀潜质。 4.基于Nd∶LuVO4晶体，搭建了目前已报道的首台半导体泵浦的、高功率超快再生放大系统。其工作频率高达1.43 MHz，是目前已知的皮秒再生放大系统中最高的重复频率。首次利用MPC腔技术提高种子源激光的脉冲能量，以抑制高重频再生放大器的脉冲多周期性的现象。在1.43 MHz时，获得了最高25.1 W的平均功率，其对应的脉冲能量为17.6μJ。而在100 kHz时，获得了最大的脉冲能量为205μJ，其对应的功率为20.5 W。对比晶体的总吸收功率可知，再生放大系统的总转换效率高于45％。由于一定的增益窄化效应，脉冲宽度由入射脉冲的5.1 ps变为出射脉冲的8.9 ps。且由于高重频时增益降低，脉冲宽度由100 kHz的8.9 ps变化为1.43 MHz的7.0 ps。该高功率、高重频、高效率且输出光斑质量良好的皮秒再生放大系统可作为高精度微加工理想的超快激光光源。 实验表明，Nd离子掺杂的Nd∶YVO4，Nd∶Gd VO4和Nd∶LuVO4晶体都可作为高功率LD泵浦的全固态皮秒激光器理想的增益介质。与其他两块晶体相比，Nd∶LuVO4晶体具有更大的吸收和发射截面，其增益线宽也相对较宽。因此，腔倒空式锁模的Nd∶LuVO4晶体振荡器得到了更大的脉冲能量和更窄的脉冲宽度输出。而对基于Nd∶LuVO4晶体的再生放大和腔倒空系统进行类比，再生放大系统可输出更高的脉冲能量，但是其装置体积相对较大。而腔倒空式系统可以输出相当的脉冲能量，同时还能保持一定的系统紧凑性。由于其具有高功率、高重频的脉冲能量输出，两种系统都可以作为材料微加工良好的激光光源。