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2 μm波段激光对人眼安全,不仅位于红外大气透过窗口和水吸收峰,还处于多种气体分子指纹区域,广泛应用于透明塑料加工、环境污染气体检测、激光手术和光电对抗等领域。随着应用需求的不断提高和增加,高峰值功率、高重复频率的2 μm波段纳秒短脉冲激光成为近年来激光技术领域的研究热点之一。目前,实现纳秒级短脉冲激光输出的主要手段是调Q技术。与被动调Q技术相比,以声光和电光调制器为代表的主动调Q技术具有稳定性好、重复频率可调、抗损伤阈值高等优点,成为产生高性能纳秒级短脉冲激光的重要技术手段。掺Tm3+离子晶体由于量子效率高、损伤阈值大、基质种类多等优点,并可以直接利用成熟的商用LD泵浦,是当前获得高效率2μm激光的主要增益介质之一。此外,Tm3+离子通常具有较长的上能级寿命(ms量级),非常有利于激光能量储存,从而产生大能量脉冲激光。然而,目前报道的掺Tm3+离子2 μm波段纳秒脉冲固体激光输出功率,特别是脉冲峰值功率还普遍较低,难以满足日益提高的应用需求。本论文围绕如何提高2 μm波段纳秒激光脉冲峰值功率,从理论和实验两方面开展了 LD泵浦掺Tm3+离子晶体声光和电光调Q激光特性研究,实现了 2 μm波段高峰值功率纳秒短脉冲激光输出。在理论研究方面,首先基于Tm:YAP和Tm:YLF晶体的物理和光谱特性,采用热透镜焦距公式和LASCAD软件对Tm:YAP和Tm:YLF晶体的热效应进行了分析,为激光器谐振腔的设计奠定了基础。其次,分析了Tm3+离子掺杂激光系统的能级跃迁特性,建立了主动调Q运转下Tm3+掺杂激光系统的速率方程组理论模型,利用MATLAB分别模拟了 LD泵浦Tm:YAP和Tm:YLF晶体主动调Q激光腔内反转粒子数密度、峰值功率、单脉冲能量和脉冲宽度等输出特性,为实验研究提供了理论指导。在实验研究方面,首先利用高衍射效率的二维声光Q开关,研究了 LD泵浦Tm:YLF晶体2 μm波段声光调Q激光特性,实现了高功率、高重复频率纳秒脉冲激光输出。其次,利用特殊镀膜的光学腔镜研究了 LD泵浦Tm:YAP晶体的特殊波长连续及脉冲激光输出特性。最后,利用Tm:YAP作为增益介质,基于LN和LGS电光开关研究了 2 μm波段电光调Q激光特性,实现了高峰值功率的调Q短脉冲激光输出。本论文的主要研究内容及结果包括:1.基于二维声光开关,实现了高功率、高重复频率Tm:YLF纳秒脉冲激光运转。在重复频率为5 kHz下,获得了最大输出功率7.32 W,最短脉宽68 ns,最大单脉冲能量1.4 mJ,相应的脉冲峰值功率21.5 kW。这是目前报道的LD泵浦Tm:YLF晶体调Q激光器最高平均输出功率,主要得益于二维声光开关强的光路关断能力和相对较小的器件体积。2.利用特殊镀膜的光学腔镜研究了 Tm:YAP晶体的特殊波长激光输出特性。在连续波激光运转下,实现了 1910 nm单波长激光输出,在双端输出的情况下实现了最大输出功率为10.79 W;在声光调Q激光运转下,实现了平均输出功率2.1 W,相应的重复频率为8 kHz,最短脉宽为91 ns,对应脉冲峰值功率为2.72 kW。通过损耗控制和谐振腔优化设计,进一步实现了 1906 nm和1951 nm双波长激光连续波输出,最大输出功率为2.26 W。这是在没有插入任何波长调谐元件情况下,实现了 Tm:YAP晶体特殊波段高功率激光输出。3.基于LN电光开关,实现了 LD泵浦Tm:YAP晶体低重频脉冲激光运转。电光开关的重复频率在200 Hz到800 Hz之间,在脉冲重复频率为200 Hz时,获得了最短脉宽28 ns,单脉冲能量2.9 mJ,相应的脉冲峰值功率为103.6 kW。研究发现,由于压电振铃效应,LN电光开关在低重复频率下运转性能较为稳定。但是,受制于LN晶体较低的损伤阈值,实验中没有实现更高脉冲峰值功率输出。4.采用LGS电光开关,实现了 LD泵浦Tm:YAP晶体高峰值功率脉冲激光运转。电光开关的重复频率在200 Hz到1 kHz之间,在脉冲重复频率为200 Hz时,获得了平均输出功率0.63 W,最大单脉冲能量为3.15 mJ,最小脉冲宽度为17 ns,相应的脉冲峰值功率为185.3 kW,这是目前已知利用Tm:YAP晶体实现的最高脉冲峰值功率。研究结果表明,实现高峰值功率的2 μm波段激光,一方面要利用高抗损伤阈值的电光晶体,另一方面要严格控制环境湿度。