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随着激光技术与激光探测技术的不断进步,使用大功率、高能量激光在大气中开展空间光通信、激光雷达、照明与识别等应用越来越受到人们的关注,并已经展开了大量的研究。1.5μm与3-5μm激光在这些应用中具有十分优越的性质。首先这些波段都位于大气传播窗口,拥有非常小的大气吸收系数,因而可以提高探测范围;第二,在白昼探测中,这两种波段的激光相比于1.06μm激光具有较低的太阳光干扰,因此可以实现更高信噪比的探测。在实际应用中,激光源本身又需要具备能耗低、体积小、易维护、高稳定的特点,因此对1.5μm短波红外与3-5μm中波红外双波长输出的研究就具有重要的应用价值。本文研究了基于砷酸氧钛钾(KTiOAsO4)晶体的重复频率为100Hz高脉冲能量1.54μm与3.47μm双波长输出的光学参量振荡器。本文的主要研究内容分为三个部分。(1)基于KTA晶体的光学参量振荡器理论分析。根据光学参量振荡器的耦合波方程,分析光学参量振荡器阈值、效率等参数,计算了 KTA晶体的非临界相位匹配条件,综合上述分析确定了参量振荡器的设计方案与优化方向。(2)纳秒脉冲百赫兹重频1064nm泵浦激光器设计。该激光器将作为双波长光学参量振荡器的泵浦源,谐振腔采用了正分支非稳腔设计,由凹面全反镜和凸面变反射率输出镜组成。设计了非稳腔的腔镜曲率半径,优化了腔长。对变反射率镜的中心反射率与镀膜膜斑半径进行了优化设计。分析了晶体热效应对腔膜与输出激光特性的影响。最终获得了单脉冲能量50.7mJ、重复频率为100Hz、脉冲宽度为12.8ns的脉冲激光输出。对应的电光效率为6.7%,光光转换效率为13.3%,平均功率5.07W。脉冲激光的线宽小于0.2nm。输出的光束为基横模高斯光束,束腰光束半径为1mm,水平与竖直方向的光束质量因子分别为Mx2=2.41,My2=1.88。(3)基于多块KTA晶体串联的脉冲1.54μm与3.47μm双波长光学参量振荡器的研制。采用了 KTA晶体Ⅱ类非临界相位匹配方案,谐振腔为两镜直腔结构,泵浦光单程通过KTA晶体,通过优化输出镜反射率与串联晶体个数,提升泵浦光转换效率。最终采用三块尺寸为5×5×25mm3 KTA晶体串联,获得了单脉冲能量为18.3mJ的1.54μm激光与单脉冲能量为3.2mJ的3.47μm中红外激光,对应的泵浦光转化效率为43.8%,输出激光的发散角小于0.44mrad。对整个激光系统进行了工程化设计,将泵浦源和参量振荡器集成为一整套设备,实现了小体积、高稳定性、高能量的百赫兹双波长光源。最终检测整套设备的能量稳定性,能量在300s内标准差为0.7%。