全固态单频连续波可调谐钛宝石激光器因其具有较窄的线宽、较低的强度噪声、完美的光束质量、较高的稳定性以及覆盖700-1000nm的超宽光谱波段等优点,已经被广泛应用于冷原子物理、量子光学与量子信息、精密测量等基础科学研究以及军事、国防领域。然而传统的全固态单频连续波可调谐钛宝石激光器结构庞大复杂、操作繁琐,严重制约其在实际中的进一步推广和应用。为了适应科学研究的快速发展,我们针对结构紧凑、操作便捷的全固态单频连续波钛宝石激光器开展了系列研究工作。具体研究内容包括:1.发展了一种设计覆盖整个增益光谱范围的离轴双折射滤波片的方法,并利用基于该方法设计的双折射滤波片,实现了钛宝石激光器304.07nm的波长调谐。通过分析离轴双折射滤波片的工作原理,理论推导了双折射滤波片光轴倾角与双折射滤波片次模抑制能力的定量关系,进而得到了宽带可调谐激光器中确定双折射滤波片光轴最佳倾角的条件。基于最佳条件,设计了针对钛宝石晶体700-1000nm荧光光谱范围的双折射滤波片,其最佳光轴倾角为29.1°,厚度比为1:2:5:9,最薄一片厚度为0.5mm。利用所设计的双折射滤波片获得了波长调谐范围为304.07nm的全固态单频连续波可调谐钛宝石激光器。2.基于钛宝石晶体本身的双折射特性,发展了一种自调谐全固态单频连续波钛宝石激光器。通过将钛宝石晶体设计加工成厚度比为1:2:4的三片组合式结构,使其作为增益介质的同时代替传统的石英双折射滤波片来实现频率粗选。首先理论分析了设计的自调谐晶体的调谐特性,并在实验上通过精确控制晶体的旋转以及优化腔结构,获得了108.32 nm的波长调谐。设计的该款新型的瓦级单频连续波自调谐钛宝石激光器相比于传统的钛宝石激光器结构更为紧凑,转化效率更高,强度噪声更低。3.基于性能稳定的Mg O:PPSLT晶体,成功将全固态单频连续波激光器的输出波长拓展到397.5nm紫外波段,并实现了长期稳定运转。首先选择具有高损伤阈值、高热导系数、宽透射光谱范围的Mg O:PPSLT作为倍频晶体,并设计倍频腔结构优化了晶体处的腰斑尺寸,使得最大倍频转化效率达25.2%,当注入最大泵浦功率为1.92W时获得了输出功率为407m W的单频连续波397.5 nm紫外激光,输出光束的M2因子优于1.02,10s内的频率漂移为573k Hz。4.发展了一种光谱展宽技术精确测量倍频晶体等效热透镜焦距的方法,精确测量了倍频晶体的热透镜焦距。在腔外倍频产生397.5nm紫外激光的过程中,随着泵浦光和产生的倍频光不断增加,倍频腔的透射峰表现出明显的展宽,而且随着倍频腔腔长的伸长和缩短,展宽的程度差别很大,表现出明显的类双稳特性。我们理论建立了热透镜焦距与倍频腔透射峰展宽量之间的定量关系,进而实时测量了不同注入功率下倍频晶体的等效热透镜焦距,并在此基础上分析了倍频过程中倍频晶体的热特性,结果表明蓝光诱导红外吸收现象是导致晶体热效应的主要因素。创新性研究工作:A.发展了一种可覆盖整个增益光谱范围的离轴双折射滤波片的设计方法,实现了钛宝石激光器304.07nm宽范围的波长调谐。B.基于钛宝石晶体本身的双折射特性和增益特性,发展了一种紧凑稳定的瓦级自调谐全固态单频连续波钛宝石激光器。C.基于性能优良的Mg O:PPSLT晶体,发展了一种基于可长期稳定运转的长寿命的单频397.5nm紫外激光器。D.发展了一种光谱展宽技术精确测量倍频晶体等效热透镜焦距的方法。通过建立倍频腔透射峰展宽量与倍频晶体等效热透镜焦距之间的定量关系,研究了倍频过程中Mg O:PPSLT晶体的热特性。