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中红外1.5-4μm人眼安全波段涵盖重要的大气透射窗口，覆盖大量的分子和原子特征吸收峰，是重要的分子指纹光谱区域。处于这一光谱范围的高性能激光在医学医疗、激光通讯、激光雷达、气体探测、光电对抗和科学研究等领域均具有重要的应用价值。随着LD泵浦技术的发展，稀土离子Er3+、Tm3+、Ho3+掺杂固体激光因结构简单、成本低廉、稳定可靠等优点逐渐成为获得中红外波段相干光源的重要途径。然而，稀土离子成熟的激光发射波长目前主要集中在3μm以下波段，而且相应的中红外激光性能还远落后于1μm波段。另一方面，稀土离子掺杂3μm以上波长中红外激光主要依靠光参量振荡器(Optical Parametric Oscillators，OPOs)等非线性频率变换过程实现，其中又以1μm波段激光泵浦居多。理论上，OPOs转换效率受泵浦光和闲频光波长比值的限制，因此利用长波长激光泵浦可有效提高转换效率，但这一方式还取决于3μm以下波段中红外激光性能。因此，基于稀土离子掺杂中红外固体激光及其泵浦的光参量频率变换成为近年来激光领域的研究热点之一。
本论文基于Er3+、Tm3+、Ho3+掺杂晶体介质以及周期性极化PPLN光学超晶格，系统开展了中红外波段高功率连续波、大能量短脉冲、超短脉冲激光及光学参量振荡器研究，旨在实现高性能中红外固体激光输出。论文的主要研究工作包括:
1.基于Er:YAG晶体开展了1.6μm波段连续波及脉冲激光研究。利用液相剥离法制备了二硫化钨(WS2)和黑磷(BP)等二维纳米材料可饱和吸收体，表征了其1.6μm波段非线性光学吸收特性，实现了1.6μm波段Er:YAG被动调Q激光运转;利用WS2可饱和吸收体获得了最大调Q激光输出功率0.42W，相应的脉冲宽度和重复频率分别为1.8μs和25.13kHz;利用BP可饱和吸收体，获得了最大调Q激光输出功率0.33W，相应的脉冲宽度和重复频率分别为2.8μs和34kHz。
2.基于掺Tm3+离子晶体开展了高功率2μm波段连续波激光研究。采用LD翼泵浦技术大大降低了晶体热效应，在最大泵浦吸收功率20.1W时，利用单块Tm:LuAG晶体实现了功率8.5W的2μm波段连续波激光运转，斜效率达44.5％，这是目前LD泵浦Tm:LuAG晶体连续波激光实现的最高输出功率;基于双棒串接技术，利用两块Tm:YAP晶体，在最大输入泵浦功率75W的情况下，实现了最高功率20.9W的1985nm连续波激光输出，斜效率达到33.5％，与单块Tm:YAP晶体获得的8.23W最大输出功率相比，连续波激光输出功率获得了极大提高。
3.基于掺Tm3+晶体开展了2μm波段大能量调Q短脉冲和锁模超短脉冲激光研究。基于升压式LN电光调制器，研究了LD泵浦Tm:LuAG晶体主动调Q大能量脉冲激光特性。在重复频率100Hz下，获得了最大能量10.8mJ、最小脉宽52ns的2022.9nm激光脉冲，这是目前基于LD泵浦Tm:LuAG晶体实现的最大能量调Q脉冲激光;利用SESAM锁模器件，研究了LD泵浦Tm:CaGdAlO4(Tm:CGA)晶体连续波锁模激光特性，通过采用3.85m超长Z型折叠腔和双光路输出结构设计，在连续波锁模运转下实现了功率164mW的1968nm超短脉冲激光输出，脉冲重复频率38.86MHz，光谱半峰宽度4nm，根据双曲正割型锁模激光脉冲时间带宽积公式，脉冲宽度的理论极限为1ps。
4.基于掺Ho3+晶体开展了中红外2-3μm波段激光研究。利用本论文第二章获得的17.3W、1940nm双棒串接Tm:YAP连续波激光带内泵浦Ho:YAP晶体，研究了2.1μm波段连续波激光运转特性，获得了2.1μm波段最大平均输出功率6.5W，斜效率为50.6％;在此基础上，设计了工作电压2400V的λ/4波升压式LGS电光调制器，实现了稳定的2.1μm波段电光调Q激光输出，在重复频率2kHz时，获得了最大单脉冲能量1.5mJ，最短脉冲宽度23ns，相应的脉冲峰值功率达65kW;基于1150nm LD泵浦Ho3+，Pr3+共掺LuLiF4晶体，实现了120mW的3μm波段连续波激光输出，进一步利用WS2可饱和吸收体实现了2955nm被动调Q激光运转，获得了输出功率82mW，脉冲宽度654ns，重复频率90.4kHz。研究结果表明WS2具有宽带可饱和光学吸收特性，是一种适用于中红外3μm波段光调制元件。
5.基于高功率2μm波段激光作为泵浦源，开展了中红外3.8μm波段PPLN-OPOs研究。理论分析了2μm激光泵浦PPLN-OPOs准相位匹配温度-波长调谐特性曲线，设计了双通双谐振腔型OPO谐振腔结构，利用自行搭建的LD泵浦Tm:YAP晶体1937nm声光调Q激光作为泵浦源，实现了常温条件下PPLN-OPOs近简并点3872nm参量激光输出，最高输出功率1.2W，光谱半峰宽20nm，相应的光光转换效率为19.4％，首次将2μm波段激光泵浦PPLN-OPOs输出功率提升至1W以上。
本论文基于Er3+、Tm3+、Ho3+掺杂晶体介质以及周期性极化PPLN光学超晶格，系统开展了中红外波段高功率连续波、大能量短脉冲、超短脉冲激光及光学参量振荡器研究，旨在实现高性能中红外固体激光输出。论文的主要研究工作包括:
1.基于Er:YAG晶体开展了1.6μm波段连续波及脉冲激光研究。利用液相剥离法制备了二硫化钨(WS2)和黑磷(BP)等二维纳米材料可饱和吸收体，表征了其1.6μm波段非线性光学吸收特性，实现了1.6μm波段Er:YAG被动调Q激光运转;利用WS2可饱和吸收体获得了最大调Q激光输出功率0.42W，相应的脉冲宽度和重复频率分别为1.8μs和25.13kHz;利用BP可饱和吸收体，获得了最大调Q激光输出功率0.33W，相应的脉冲宽度和重复频率分别为2.8μs和34kHz。
2.基于掺Tm3+离子晶体开展了高功率2μm波段连续波激光研究。采用LD翼泵浦技术大大降低了晶体热效应，在最大泵浦吸收功率20.1W时，利用单块Tm:LuAG晶体实现了功率8.5W的2μm波段连续波激光运转，斜效率达44.5％，这是目前LD泵浦Tm:LuAG晶体连续波激光实现的最高输出功率;基于双棒串接技术，利用两块Tm:YAP晶体，在最大输入泵浦功率75W的情况下，实现了最高功率20.9W的1985nm连续波激光输出，斜效率达到33.5％，与单块Tm:YAP晶体获得的8.23W最大输出功率相比，连续波激光输出功率获得了极大提高。
3.基于掺Tm3+晶体开展了2μm波段大能量调Q短脉冲和锁模超短脉冲激光研究。基于升压式LN电光调制器，研究了LD泵浦Tm:LuAG晶体主动调Q大能量脉冲激光特性。在重复频率100Hz下，获得了最大能量10.8mJ、最小脉宽52ns的2022.9nm激光脉冲，这是目前基于LD泵浦Tm:LuAG晶体实现的最大能量调Q脉冲激光;利用SESAM锁模器件，研究了LD泵浦Tm:CaGdAlO4(Tm:CGA)晶体连续波锁模激光特性，通过采用3.85m超长Z型折叠腔和双光路输出结构设计，在连续波锁模运转下实现了功率164mW的1968nm超短脉冲激光输出，脉冲重复频率38.86MHz，光谱半峰宽度4nm，根据双曲正割型锁模激光脉冲时间带宽积公式，脉冲宽度的理论极限为1ps。
4.基于掺Ho3+晶体开展了中红外2-3μm波段激光研究。利用本论文第二章获得的17.3W、1940nm双棒串接Tm:YAP连续波激光带内泵浦Ho:YAP晶体，研究了2.1μm波段连续波激光运转特性，获得了2.1μm波段最大平均输出功率6.5W，斜效率为50.6％;在此基础上，设计了工作电压2400V的λ/4波升压式LGS电光调制器，实现了稳定的2.1μm波段电光调Q激光输出，在重复频率2kHz时，获得了最大单脉冲能量1.5mJ，最短脉冲宽度23ns，相应的脉冲峰值功率达65kW;基于1150nm LD泵浦Ho3+，Pr3+共掺LuLiF4晶体，实现了120mW的3μm波段连续波激光输出，进一步利用WS2可饱和吸收体实现了2955nm被动调Q激光运转，获得了输出功率82mW，脉冲宽度654ns，重复频率90.4kHz。研究结果表明WS2具有宽带可饱和光学吸收特性，是一种适用于中红外3μm波段光调制元件。
5.基于高功率2μm波段激光作为泵浦源，开展了中红外3.8μm波段PPLN-OPOs研究。理论分析了2μm激光泵浦PPLN-OPOs准相位匹配温度-波长调谐特性曲线，设计了双通双谐振腔型OPO谐振腔结构，利用自行搭建的LD泵浦Tm:YAP晶体1937nm声光调Q激光作为泵浦源，实现了常温条件下PPLN-OPOs近简并点3872nm参量激光输出，最高输出功率1.2W，光谱半峰宽20nm，相应的光光转换效率为19.4％，首次将2μm波段激光泵浦PPLN-OPOs输出功率提升至1W以上。