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太阳光泵浦固体激光器是一种以太阳辐射为泵浦源,直接将宽光谱太阳光转化为窄光谱激光的新型固体激光器。太阳光泵浦固体激光器与空间应用的传统固体激光器相比能量转换环节少、效率高、成本低,在空间及军事应用方面具有潜在的应用前景,也将为激光技术谱写新的篇章。目前,太阳光泵浦激光器能够实现激光输出的形式有:太阳光泵浦固体激光器、光纤激光器和半导体激光器。本文的研究重心集中于太阳光泵浦固体激光器中效率最高、研究最为广泛的高效率太阳光泵浦固体激光器,以及新型太阳光泵浦固体激光放大器。本论文总结了太阳光泵浦固体激光器的研究意义、相关应用和国内外的研究进展。设计了菲涅尔透镜结合分腔水冷型镀金锥形聚光腔的两级会聚方案。分析了适合于太阳光泵浦固体激光器的增益介质特性,最终选择了吸收谱与太阳光谱匹配程度高、泵浦阈值低、热导率高的Nd:YAG晶体作为太阳光泵浦固体激光器和激光放大器的增益介质,并通过软件仿真确定了晶体的合适尺寸。建立和完善了太阳光泵浦固体激光器的理论模型,讨论了太阳光泵浦固体激光器的能量转换环节,推导出了太阳光泵浦固体激光器的阈值功率、斜效率和输出功率公式,以及太阳光泵浦固体激光放大器的增益和输出功率表达式。利用光学设计软件ZEMAX和激光谐振腔仿真软件LASCAD建立了采用分腔水冷型锥形聚光腔的太阳光泵浦Nd:YAG固体激光器模型,通过仿真结果优化系统设计。此外,利用ZEMAX设计了一种采用菲涅尔透镜阵列进行太阳光的会聚,柱透镜阵列进行光束整形的高效率高功率太阳光泵浦Nd:YAG激光器。搭建了太阳光泵浦Nd:YAG固体激光器系统并进行了室外实验。太阳辐射功率为950W/m~2时,获得了最大31.5W的激光输出,收集效率为30.58W/m~2,光—光转化效率达到了3.2%,测量得到该激光的M~2因子为126。提出了千瓦级太阳光泵浦固体激光器的设计方案,并对方案中涉及的太阳光泵浦固体激光放大器进行了详细地实验研究。设计了一种键合的板条状Nd:YAG晶体,种子激光在晶体内部呈“Z”字型传播,晶体内部的种子激光路径长度为97mm,在太阳辐射功率为900W/m~2时,实现了1.46倍的增益。综上所述,本论文搭建了高效率太阳光泵浦Nd:YAG固体激光器和太阳光泵浦Nd:YAG固体激光放大器两套实物系统,并进行了理论和仿真分析,最终,成功地获得了高效率的激光输出,以及种子激光的放大。随着太阳光泵浦固体激光器研究的不断深入,该技术在空间及军事方面的实际应用将指日可待。