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2μm波段激光与许多气态污染物的特征吸收光谱相对应,并可以被水分子及其他生物组织强烈吸收,在医疗、大气监测、激光雷达、分子光谱和科学研究等领域具有重要应用。此外,2μm波段激光可以泵浦ZnGeP等非线性晶体的光学参量振荡器和放大器,产生中、远红外激光。鉴于2μm波段激光的广泛应用,2μm波段新型固体激光的研究一直是科学领域的热点之一。利用半导体激光或光纤激光泵浦掺Tm3+、Ho3+等稀土离子的晶体产生激射,目前仍然是直接获得2μm波段激光的最有效的技术途径。研究方向包括2μm波段新型激光晶体、透明陶瓷等增益介质的探索;2μm波段新型器件的研制;提升2μm波段激光功率、效率的激光技术;及各种脉冲激光、单频激光以及可调谐激光的研究等。本论文结合新型的激光调制元件,对几种掺Tm3+、掺Ho3+块状晶体和陶瓷材料在2μm波段的连续波激光、调Q激光以及锁模激光特性进行了研究。论文内容如下:1.简要介绍了主被动调Q的基本原理,分析了 2μm波段二维声光调制器、铌酸锂(LN)电光调制器以及可饱和吸收体被动调Q的工作特点;给出了锁模脉冲的产生机理以及半导体可饱和吸收镜(SESAM)被动锁模的动力学过程,理论上分析了稳定锁模的实现条件以及抑制调Q锁模状态的方法;分析了 2μm波段可调谐激光的基本原理以及石英双折射滤波片的工作机理。2.采用Tm:YAP晶体为激光增益介质,研究了新型的2μm波段激光调制器件。在分析黑磷二维纳米材料的能带特性和可饱和吸收特性的基础上,制备了该材料的可饱和吸收镜,并应用于被动调Q Tm:YAP激光器,获得了脉冲宽度181ns,平均功率3.1 W的脉冲激光输出,对应的单脉冲能量为39.5μJ,脉冲重复频率为81 kHz.据我们所知,这是已知黑磷二维纳米材料被动调Q激光器的最大单脉冲能量,展现了该材料作为可饱和吸收体在获取2μm高能量脉冲激光方面的应用潜力。采用铌酸锂电光调制器,实现了 2μm波段Tm:YAP主动调Q激光输出,在25Hz低重复频率下,脉冲宽度为78.4ns,对应的单脉冲能量为2.52mJ.采用SESAM锁模元件,实现了脉冲宽度1.7ps的锁模激光输出。设计了 2μm波段调谐激光器,采用双折射石英晶体作为调谐元件,实现了从1887.1nm到2080.8nm的宽调谐连续激光输出。3.采用新型Tm:BaYF晶体为激光增益介质,研究了低声子氟化物晶体的激光特性,分别实现了连续波、调Q和锁模激光运转。基于Tm:BaYF晶体的宽带荧光光谱特性,实现了 Tm:BaYF连续波从1843.8nm到1997.1nm波长范围的可调谐激光输出。采用二维声光调制器,研究了 Tm:BaYF主动调Q激光特性,在最高泵浦功率3.8W,重复频率500Hz时,获得了 305ns的最短脉冲,对应的单脉冲能量为1.3mJ.通过分析锁模动力学过程,优化设计激光谐振腔,采用SESAM锁模元件,实现了 Tm:BaYF三波长同步锁模激光运转,获得了 27.5ps的锁模脉冲。4.研究了新型Tm:LuGGG无序结构晶体的激光特性,分析了不同离子掺杂浓度对连续激光输出特性的影响;研究其2μm波段宽调谐特性,实现了 1907.5nm到2055.9nm的可调谐激光输出;基于石墨烯的可饱和吸收镜,研究了该无序结构晶体被动调Q激光特性,脉冲宽度为1.29μs;采用SESAM锁模元件,实现了稳定连续波被动锁模激光运转。研究结果表明,无序结构Tm:LuGGG既有石榴石结构晶体良好的热机械性能,又具有非均匀加宽光谱,有利于获得短脉冲激光输出。5.基于Ho:YAG透明陶瓷,研究腔内泵浦掺Ho3+激光增益介质的方法和途径。谐振腔内同时放置Tm:BaYF晶体和Ho:YAG透明陶瓷,设计谐振腔结构和参数,实现了 2μm波段高光束质量连续激光输出,对输出激光的光谱特性、输出功率等进行了分析。研究结果表明,相比采用Tm3+离子敏化Ho3+离子获得激光跃迁的方法,腔内泵浦掺Ho3+激光增益介质的方法可以发挥LD和带内泵浦两方面的优势,有利于室温下获得高效率的激光输出。6.对微下拉法生长的Ho:YLF晶体光纤的光谱特性进行了表征,分析了晶体光纤作为激光增益介质的优势,实现了 Ho:YLF晶体光纤2μm波段连续激光运转;采用电光调制器,实现了 Ho:YLF晶体光纤的调Q激光输出,研究不同重复频率下激光器的平均输出功率、脉冲能量和脉冲宽度,并在800Hz重复频率下,获得了 77.9ns的最短脉冲宽度;对SESAM锁模Ho:YLF晶体光纤激光器进行了设计和讨论。研究结果表明,Ho:YLF晶体光纤激光具有较低的热效应,有利于获得高功率、高效率激光。