以人工晶体为核心的超快激光技术正逐步向超快、超强化趋势发展。窄脉宽、高重频、高峰值功率等特点使超快激光为医疗、光通信、微加工以及军事的发展开启了新的引擎,推动着物理、材料、化学、生物等多个自然基础学科向更深层次发展。以半导体二极管光源（LD）直接泵浦实现结构紧凑、高效、低成本的全固态超快激光器具有重要的实用价值,成为目前的研究热点。其中具有宽光谱特性且适用LD泵浦的高热导率晶体材料是推动小型化全固态超快激光技术发展的核心和动力,稀土离子掺杂的氟化物晶体因其具有一系列独特优势逐渐成为全固态被动锁模激光领域的研究主流。多重局域配位结构为稀土离子掺杂的氟化物晶体提供了宽光谱特性的潜能,使其在宏观层面上具备类似有序晶体物理性质和较大的发射截面,而在微观层面的局域结构又是无序的,是一类非常具有研究意义的超快晶体。自2003年研究发现Yb:CaF₂晶体中共掺电荷补偿离子可以有效地调控其量子效益和光谱等性能以来,越来越多的科研工作者把研究重点放在了通过掺入缓冲离子M⁺（Na⁺、K⁺等）或Me³⁺(Y³⁺、Lu³⁺、La³⁺等)对激光工作物质的结构进行设计来满足连续、可调谐、短脉冲以及超短脉冲激光性能的要求。本文主要基于Gd³⁺作为缓冲离子的Nd³⁺掺杂氟化钙晶体和Yb³⁺掺杂氟化锶晶体,在对其光谱特性、连续激光特性和可调谐激光特性进行全面表征的基础上,结合新型可饱和吸收体和SESAM实现了LD泵浦的纳秒量级短脉冲以及亚皮秒量级超短脉冲激光运转,主要内容包括如下几个部分:1.阐述了超快激光器研究工作开展的背景与意义;总结了近年来在1μm波段超快激光技术取得的成果,对锁模激光器的产生原理、谐振腔的设计理念和色散计算进行了阐述;对Nd³⁺和Yb³⁺掺杂的氟化物激光晶体的性能和研究进展进行了调研,通过对晶体连续激光等性能的实验研究,得到了适合锁模激光运转的超快晶体参数;总结了不同类型可饱和吸收体特点,分析了银纳米棒材料作为可饱和吸收体在全固态激光领域的应用优势。2.LD泵浦Nd,Gd:CaF₂晶体的可调谐激光性能及超快激光性能的研究。对掺杂浓度不同的两种Nd,Gd:CaF₂(0.5%Nd³⁺,5%Gd³⁺:CaF₂;0.5%Nd³⁺,8%Gd³⁺:CaF₂)晶体的光谱特性和波长可调谐性能进行了全面的表征。实现了0.5%Nd³⁺,8%Gd³⁺:CaF₂晶体的双波长锁模激光输出,中心波长分别为1065.45 nm和1066.48 nm。与0.5%Nd³⁺,5%Gd³⁺:CaF₂晶体相比,锁模激光性能得到了优化,最大平均输出功率提高至394 mW。3.LD泵浦的Yb,Gd:SrF₂可调谐及超短脉冲激光性能的研究。共掺离子Gd³⁺的引入有助于打破[Yb³⁺-Yb³⁺]_n团簇结构以及存在于晶体结构内部的非活化的Yb²⁺离子对,能够显著的提高转换和发光效率,拓宽发射谱线。以LD端面泵浦方式,对Yb,Gd:SrF₂连续激光特性进行了实验研究,获得3.9 W的高输出功率,斜效率58.7%;利用厚度为1 mm的双折射滤光片,首次研究了Yb,Gd:SrF₂调谐激光器的输出特性,获得从1020.23 nm到1081.31 nm大约61.08 nm宽的可调谐激光输出。并首次实现了LD泵浦Yb,Gd:SrF₂被动锁模激光运转。锁模脉冲的平均输出功率为296 mW,脉冲持续时间约为951 fs,光谱宽度约4.13 nm,峰值位于1046 nm。4.基于银纳米棒可饱和吸收体的被动调Q脉冲激光特性研究。通过种子介导的生长方法制备了纵向表面等离子共振（SPR）吸收峰值在1.06μm的银纳米棒可饱和吸收体,并对其调制深度、非饱和损耗和饱和光强等非线性光学特性进行了表征。利用具有表面等离子体共振的新型银纳米棒可饱和吸收体,首次应用于1.06μm Nd:YAG陶瓷调Q激光器中,最窄脉冲宽度197 ns,最大重复频率223.7 kHz。基于新型Nd³⁺掺杂氟化钙晶体,首次实现了LD泵浦Nd,Gd:CaF₂被动调Q激光运转,最窄脉冲宽度1.046μs,最高重复频率53.92 kHz,相应的单脉冲能量和峰值功率分别为2.15μJ和2.06 W。