可见波段激光是指波长处于400-760nm的激光,是娱乐、照明、加工、医疗等领域的基础光源,当前可实现可见波段激光的技术主要有半导体激光和近红外激光的倍频两种。近年来,随着GaN基半导体制备工艺的进步和发展,蓝光半导体已经趋于成熟并获得实用,2014年诺贝尔奖授予三位日本科学家,用以表彰其在蓝光半导体方面的研究工作,而以蓝光半导体激光为泵浦源,通过全固态激光技术直接泵浦实现可见波段激光输出也成为了激光领域的新兴方向。作为稀土离子族典型的代表,掺Pr3+离子激光晶体可实现蓝光区的吸收和从绿光到红光波段的多波长发射,成为重要的蓝光泵浦全固态可见波段激光材料。但可实现激光输出的掺Pr3+离子激光材料仅以氟化物为代表的部分具有低声子能量的增益介质,尚需发展基本理论用以揭示限制掺Pr3+离子激光晶体产生激光效果的关键科学问题,并为后续激光晶体和激光技术的发展和应用起到指导作用。在激光技术中,除了泵浦源和激光晶体外,光开关元件,包括调Q和锁模元件,是实现激光脉冲调制的关键器件。作为一种新兴的激光技术,适用于蓝光半导体直接泵浦获得可见波段脉冲激光的光开关元件研究有待发展,特别是可见波段的被动光开关元件和材料较有限。可见光波长相对较短、光子能量相对较大,一般来说,激光晶体在可见波段增益相对较低,这对可见波段可饱和吸收体在材料带隙、载流子恢复时间、可饱和吸收强度及调制深度等方面提出了独特的要求。因此,发展可见波段光开关的筛选准则并实现脉冲激光输出,对这种新兴激光技术和器件的发展和后期应用有重要的作用。因此本论文面向蓝光半导体直接泵浦的可见波段激光发展现状,以掺Pr3+离子激光晶体和光开关为研究对象,探索限制掺Pr3+离子激光晶体获得激光输出的关键物理参数,揭示了无辐射跃迁几率对可见激光输出的影响规律,为可实现可见波段激光输出的掺Pr3+离子激光晶体研究提供了理论参考;从速率方程出发,推导了可见波段激光调Q光开关材料的筛选准则,找到了可见波段调Q光开关材料需满足的条件,以此为指导,测试了石墨烯材料及Co:ZnO薄膜材料的非线性可饱和吸收性质,预判了两种材料作为可见波段调Q光开关的可行性,实现了不同可见波长调Q脉冲激光输出;建立了可见波段锁模材料的筛选准则,找到了限制锁模应用的关键物理参数,并以MoS2材料和石墨烯材料为代表验证了筛选准则,实现了不同可见波长的锁模脉冲激光输出;基于克尔透镜锁模原理,实现了可见波段自锁模激光输出,结合色散补偿技术,实现最短脉冲宽度为1.1 ps的可见波段超快脉冲激光输出。主要研究内容如下:一、可见波段掺镨离子激光晶体理论从Pr3+离子能级出发,综合考虑Pr3+离子3P0和1D2能级间的无辐射跃迁过程,推导并建立了 Pr3+离子的四能级速率方程,针对3P0和1D2能级间的无辐射跃迁几率对激光效果的作用,推导了基质声子能量、能级劈裂对可见波段激光输出的影响,找出制约掺Pr3+离子激光晶体实现激光输出的关键因素为能级劈裂宽度和声子能量,建立了能级劈裂和声子能量需满足的物理关系,为掺Pr3+离子激光晶体的研究提供理论参考。二、可见波段调Q光开关材料的筛选准则及调Q脉冲激光研究1.从速率方程出发,发展了调Q光开关材料的筛选准则,基于掺Pr3+离子激光晶体的光谱参数,估算了可见波段调Q光开关材料需要满足的条件,发展了可见波段调Q光开关材料的筛选准则,用以指导可见波段调Q光开关材料的选择。2.以二维石墨烯和3dN离子中Co2+离子为代表性研究对象,测试了单层石墨烯和Co:ZnO在可见波段的非线性可饱和吸收性质,并根据可见波段调Q光开关材料的筛选准则预判两种材料在可见波段调Q脉冲激光应用的可行性;在Pr3+:YLiF4晶体连续激光基础上,以上述两种材料为调Q光开光器件,实现了不同可见波长调Q脉冲激光输出。三、可见波段锁模材料的筛选准则及锁模脉冲激光研究1.从速率方程出发,发展了锁模材料的筛选准则,以掺Pr3+离子激光晶体的光谱参数为基础,构建了可见波段锁模材料的筛选准则,揭示了影响锁模激光效果的关键物理参数,提出了可见波段锁模材料需同时具备可饱和吸收体禁带宽度≤1.7 eV、载流子复合寿命≤10 ns且可饱和能量密度与调制深度乘积Fsat,AΔR≤2 nJ/cm2三个条件。2.全面测试了不同层数MoS2材料的非线性可饱和吸收性质,以构建的筛选准则为指导,预判小于十层的MoS2材料适合制作可见波段锁模器件,并通过实验验证,实现了不同波长的可见波段超快脉冲激光输出;测试和表征了单层石墨烯在可见波段的非线性可饱和吸收性质,计算关键物理参数,发现该材料符合可见波段锁模材料的筛选准则,以透射式和反射式两种方式将单层石墨烯用于可见波段锁模脉冲激光,实现了不同可见波长锁模脉冲激光输出。四、可见波段克尔透镜锁模激光研究以Pr3+:LuLiF4为研究对象,针对其非线性折射率较大的特点,从ABCD矩阵出发,设计了可实现克尔透镜自锁模的激光谐振腔,计算了谐振腔内关键元器件的色散曲线,以ZF4棱镜对进行补偿色散,实现了蓝光半导体直接泵浦的掺Pr3+离子激光晶体自锁模激光输出,相关研究结果是半导体泵浦下可见波段最短脉冲激光输出。综上所述,本论文针对蓝光半导体直接泵浦的掺Pr3+离子激光晶体和激光器件发展现状,发展了晶体和光开关的“三套”准则,为可见波段激光晶体和器件的发展提供了有益借鉴;获得了单管泵浦下的可见波段连续激光最高输出功率,实现了调Q和锁模脉冲激光器件设计,发展了超快锁模激光技术,获得蓝光半导体泵浦掺Pr3+离子激光晶体中最短脉冲激光输出。