理论上分析了介质中主要存在的增益光栅，包括透射光栅和反射光栅，对饱和增益介质中的简并四波混频横向二维特性进行分析。分别讨论了稳态，瞬态和一般时间状态下四波混频的相互作用特性。 针对非互易式单频脉冲激光器进行了结构设计，确定了激光器结构，增益介质，泵浦源的参数，分析了输出，泵浦，介质增益三者的关系。为保证环路的增益，采用Nd:YVO4作为增益介质。设计了掠入射式结构，使系统紧凑的同时保证自交叉光夹角足够小，提高增益光栅的衍射效率和输出效率。 采用非互易式环形脉冲激光器结构进行实验，获得了自启动的单频脉冲输出。为提高输出脉冲能量和单频稳定性，通过优化输出镜、非互易式原件分辨偏振光的能力、自交叉光的交叉角以及增益光栅区域与泵浦区域的匹配的方法，从整体上提高了整个增益光栅激光系统的匹配程度，得到单脉冲能量0.9mJ，脉冲宽度8ns，重频10Hz，线宽约0.98pm的稳定单频输出。 在自启动单频脉冲输出的基础上，采用外部种子沿着信号光方向注入环路，引导增益光栅形成，使增益光栅记录种子光的全部信息。首次得到了中心波长在种子光的谱线范围内的稳定输出，证明了通过增益光栅实现稳频输出的构想。

采用基于增益光栅的自适应环形激光谐振腔结构，开展种子注入调Q脉冲单频激光器稳频机理研究，提高单频输出激光的频率稳定性、可靠性和抗干扰能力。研究增益光栅的二维动态特性，获得增加增益光栅的横向光场变化范围的途径；研究在腔内插入相关元件变换腔内光束尺寸方法，抑制相位共轭反射率不一致，消除相互作用光束的横向形状和光束位置变化对稳频的影响，揭示种子注入环形激光谐振腔扩展增益光栅作用区域稳频的机理；优化谐振腔光学元件的参数，获得高重复频率、大脉冲能量、高光束质量的调Q脉冲单频稳频激光输出；研究稳频系统的抗干扰特性，获得具有自主知识产权的关键技术，为探索调Q脉冲单频稳频激光器可靠性的提高提供一新途径，为激光雷达、光电对抗等系统的研究提供支撑。

结合脉冲管制冷机发展的前沿方向和国内现阶段对微型低温制冷机的迫切需求，开展100Hz超高频脉冲管制冷机微型化的理论与实验研究。一方面通过理论分析和数值模拟的方法，深入研究超高频和微型化情况下脉冲管制冷机内部气体的工作流程和物理机制，重点针对超高频条件下换热时间短、微型化导致脉冲管直径小、换热面积不足等关键问题，探索在现有50Hz高频脉冲管制冷机基础上向超高频、微型化发展的改进途径，丰富和发展脉冲管制冷机的基本理论；另一方面在理论研究的基础上，研制超高频微型脉冲管制冷机的原理样机，利用理论结果指导制冷机的蓄冷器、脉冲管、换热器及调相机构等关键部件的优化设计，解决因超高频和微型化带来的制冷性能恶化的主要问题，掌握制作更小尺寸脉冲管制冷机的设计能力，同时利用实验结果验证本项目对超高频微型脉冲管制冷机内部气体工作过程及流动、换热等物理机制方面所获得的认识。

针对超高频条件下脉冲管制冷机内部气体的交变流动特性展开理论与试验研究，针对脉冲管内气体在100Hz超高频条件下的交变流动特性，采用美国NIST开发的REGEN3.3软件开展蓄冷器丝网、尺寸的模拟计算，利用LosAlamos实验室开发的DeltaE软件对长颈管的相位调节和流量控制进行数值模拟，得到适合100Hz条件下工作的制冷机关键部件的最优结构。 在优化设计的基础上，研制直线型的超高频脉冲管冷指原理样机，如图3所示，其回热器外径为7.8mm，总长度为150mm，重量380g。该原理样机无双向进气， 80W输入功率下可获得1.2W@80K的制冷性能。 根据直线型样机的结构参数转换为同等尺度的同轴型脉冲管冷指，在对同轴结构冷端流场转捩进行模拟优化的基础上，研制出冷指外径9mm，长度42mm的同轴型超高频冷指样机，为不锈钢和紫铜材料的全焊接结构，不包含惯性管气库的重量为250g。在双向进气的优化条件下，其制冷性能为：80W输入功率下最低温度可达46K，能够提供2.1W@80K的制冷量。该同轴型冷指与美国NGST公司的100Hz超高频微型冷指的参数对比发现，在制冷效率方面本项目同轴冷指接近美国水平，而在微型化方面本项目研制的超高频同轴冷指优于美国的同轴冷指。 在超高频冷指达到世界先进水平的研究基础上，超出本项目研究计划，对压缩机的高频特性展开理论分析与实验研究。目前国内尚无小型化的高频压缩机，本研究在理论分析的指导下，利用已有的高频脉冲管冷指，首先通过调相机构的改进，使得现有的50Hz压缩机与冷指耦合后的最佳工作频率提高到80-100Hz；然后在高频条件下改变压缩机的磁场强度、线圈绕组、活塞面积、弹簧刚度以及充气压力等结构和条件，通过实验研究摸清压缩机的高频工作特性，将超高频冷指的制冷效率进一步提高，并为高频压缩机的优化设计打下坚实的研究基础。 2100433B

噪声对单频激光的性能有着严重的劣化效应，本项目以研究基于新型高增益玻璃光纤的1.5μm波段单频光纤激光器内部噪声产生及抑制所涉及的新原理与新方法等基础问题为目标，着重研究基质玻璃中稀土离子的激发、能量传递、跃迁等物理过程对自发发射光的影响规律，探索自发发射光对量子噪声的影响机制；研究光纤制备及熔接中纳米级团蔟、芯包层界面及熔融点界面组分与结构的微不均匀性，探索由此引起的弹性散射以及热弹性散射对量子噪声的影响机制；研究光纤材料中原子、分子、价键结构及非线性折射率等与非弹性散射、非线性效应之间的内在关系，探索非弹性散射和非线性效应对量子噪声的影响机制。建立短DBR型单频光纤激光谐振腔噪声分析理论模型，实验研究抑制单频激光噪声的方法。本项目研究将有助于加深人们对单频光纤激光噪声等物理问题的理解，促进超低噪声单频光纤激光材料及器件技术的发展。