2μm激光处于大气窗口和热辐射区域,属于人眼安全波段激光,可用于激光医疗、激光雷达、光电对抗、光谱学、光通讯以及材料加工等领域,此外2μm全固态高重频大能量激光器还可作为光参量振荡器的高效泵浦源。本论文以单掺铥石榴石氧化物工作物质为基础,通过理论、设计、实验三方面完成高重频大能量2μm调Q激光器研究,主要内容如下:理论方面,在分析单掺铥石榴石氧化物Tm:YAG、Tm:LuAG和Tm:LuYAG晶体特性的基础上,结合铥离子的准三能级跃迁特性,建立脉冲LD双端泵浦单掺铥激光器及脉冲LD双端泵浦单掺铥调Q激光器的速率方程模型,求解得到激光器的振荡阈值条件及双端泵浦和双端间歇泵浦时腔内光子数的变化情况。结合激光产生的基本原理,对比分析常规激光器和双程增益激光器的输出性能,为后续实验现象的分析与讨论提供理论依据。基于脉冲LD间歇泵浦原理,建立单掺铥晶体热模型,并在固定边界条件下仿真得到相同泵浦能量、不同重复频率时,单掺铥晶体内部的热分布和热焦距,从理论上证明采用脉冲LD间歇泵浦技术对于缓解单掺铥晶体热效应的可行性,为实验设计奠定基础。设计方面,对脉冲LD双端间歇泵浦双程增益单掺铥调Q激光系统进行优化设计与分析。基于理论分析结果,明确脉冲LD间歇泵浦技术对电子伺服系统的要求。以工作物质中心处两个基模光斑半径具备良好模式匹配为前提,设计双程增益谐振腔,并根据设计结果确定合适的泵浦光斑尺寸,进一步实现泵浦光与振荡光之间的模式匹配,以期获得高效率、高光束质量的激光输出。最终确定了谐振腔的长度,以及Q开关等元件的位置,完成了光学、热学稳定性好的双端泵浦双程增益单掺铥调Q激光谐振腔设计,为后续实验搭建提供参考。实验方面,先后进行了脉冲LD双端泵浦单掺铥调Q激光器、脉冲LD双端间歇泵浦单掺铥同重复频率调Q激光器、脉冲LD双端间歇泵浦单掺铥二倍重复频率调Q激光器、以及脉冲LD双端间歇泵浦双程增益单掺铥二倍重复频率调Q激光器实验研究。最终在间歇泵浦技术与双程增益技术的共同作用下,在泵浦重复频率100Hz、调Q重复频率200Hz时,获得Tm:YAG、Tm:LuAG和Tm:LuAYG调Q激光器的参数如下:阈值能量分别为18.01mJ、19.38mJ和18.54mJ,最大单脉冲能量分别为9.98mJ、8.6mJ和9.62mJ,最窄脉宽分别为100.8ns、131.6ns和120.8ns,输出中心波长分别为2014.66nm、2023.11nm和2029.48nm,光束质量分别为Mx2=1.39,My2=1.38、Mx2=1.37,My2=1.42和Mx2=1.38,My2=1.36。与脉冲LD双端泵浦单掺铥调Q激光器相比,在调Q重复频率200Hz的条件下,最大单脉冲能量分别提高了55%、68%和74.3%,且可推迟增益饱和现象的出现,从实验上证明了间歇泵浦双程增益技术对于提高准三能级单掺铥激光器输出性能的可行性。