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1.6μm“人眼安全”波段高功率激光由于具有大气传输透过率高、覆盖甲烷等温室气体的特征吸收带等特性，在激光测距、遥感、雷达和中红外激光的产生等方面具有重要的应用价值和发展前景。不过，1.6μm波段属特殊波段，缺少适用于该波段的光调制器件和激光性能调控手段。因此，发展新型的光调制元件及光调制方法对于1.6μm波段高功率激光光源具有重要意义。 1.6μm波段脉冲光源通常可以通过被动或者主动的方法产生。被动调Q具有系统简单、紧凑、激光参数可调范围大等优点，但是对于1.6μm波段，尚缺少有效的被动调Q元件。随着新材料技术的发展，二维狄拉克材料（石墨烯和拓扑绝缘体）被发现具有优异的电、光和热性能，而且具有优异的非线性光学特性：宽波段可饱和吸收、大的调制深度等。而且，它们具有高的损伤阈值。这些特性为实现高能调 Q激光输出提供了可能。与被动调 Q技术相比，主动调Q技术是目前获得1.6μm波段窄脉宽、高脉冲能量激光的主要方式。但是，目前使用的都是退压式调 Q激光装置，与之相比，加压式调Q装置具有消除光弹效应、补偿热退偏损耗以及加高压时间短可以延长调制晶体寿命等优点，有望获得更好的脉冲激光输出特性。通过调Q方式，可以获得ns或μs的脉冲激光输出，但是难于获得ps或者 fs的超短脉冲激光。Er:YAG晶体增益带宽窄，很难实现其在1.6μm波段锁模的超短脉冲激光输出。通过振幅调制的连续光泵浦光纤来获得高重复频率超短脉冲引起了人们的极大兴趣，有望利用该技术实现1.6μm波段超短脉冲激光输出。本论文主要针对1.6μm波段脉冲激光的应用需求，在Er:YAG主、被动调Q以及超短脉冲激光的产生方面开展了一些研究工作，主要包括： (1)实验获得了石墨烯调Q的高能量Er:YAG脉冲激光输出，获得的脉冲能量比之前报导的结果约大一个数量级。实验首先制备得到了高质量的石墨烯可饱和吸收镜；其次，研究了其在1.6μm波段的可饱和吸收特性并获得了其饱和吸收参数；最后，将石墨烯应用到Er:YAG激光器中实现了1.645μm波长的被动调Q激光输出，输出的脉冲宽度、脉冲重复频率以及脉冲能量分别为28μs、12.5 kHz、97μJ。 (2)首次实现了基于拓扑绝缘体的被动调 Q固体激光器，获得了1.6μm波段的脉冲激光输出。实验首先制备得到了拓扑绝缘体：碲化铋可饱和吸收镜；其次，研究了其在1.6μm波段的可饱和吸收特性并获得了其饱和吸收参数；最后，将拓扑绝缘体：碲化铋可饱和吸收镜应用到Er:YAG激光中实现了1.645μm波长的被动调Q激光输出，输出的脉冲宽度、脉冲重复频率以及脉冲能量分别为6.3μs、40.7 kHz、5.3μJ。 (3)实验获得了加压式RTP电光晶体调Q的Er:YAG固体激光输出，并结合理论详细分析了输出特性。当输出耦合镜透过率选择13％时，激光器工作在1645 nm波长，输出的最短脉冲宽度为65 ns，脉冲能量为7.5 mJ。而当输出耦合镜透过率选择24%时，激光器支持1617 nm波长激射，总体来说激光器输出特性比工作在1645 nm波长状态下要差。理论上对Er:YAG调 Q激光器能量存储效率与重复频率之间的关系进行了分析，当激光重复频率小于500 Hz时，激光器能量存储效率急剧下降，这与实验结果相吻合。 (4)实验基于F-P标准具及体布拉格光栅（VBG）选频元件，实现了1.6μm波段的窄线宽Er:YAG脉冲激光输出。使用F-P标准具，在基于石墨烯可饱和吸收体的被动调Q的Er:YAG激光器中实现了0.13 nm窄线宽的激光输出，激光器输出功率为474 mW，相应的光光转换效率为2.3%。首次使用VBG同时作为泵浦输入镜和选频元件，在电光调Q的激光器中实现了光谱线宽小于0.08 nm的窄线宽激光输出，相应的最大脉冲能量和脉冲宽度分别为1.36 mJ和185 ns。该激光器结构紧凑，工作波长被稳定地锁定在CH4气体的强吸收线内。研究结果为天基IPDA激光雷达发射器激光光源小型化发展提供了一个非常有吸引力的、可供选择的方案。 (5)提出并理论研究了基于调制不稳定性方法获得1.6μm波段超短脉冲激光的技术路线，获得了调制过程和非线性过程对输出脉冲的影响规律。首先，从麦克斯韦方程组出发，通过合理近似推导得到了连续光泵浦下光波在光纤中传输的非线性薛定谔方程。其次，在初始输入场中引入高斯白噪声项，推导得到了获得超短脉冲的最佳光纤长度以及信噪比表达式。最后，基于非线性薛定谔方程数值模拟了Er:YAG连续激光调制频率 f=0.1 THz，不同调制深度a040dB、0a30dB、a020dB、a010dB泵浦下非线性光纤中超短脉冲的产生情况。从数值仿真结果可知，调制深度为-40 dB时，噪声对超短脉冲产生的影响很大，不管脉冲串还是频谱都杂乱无章；而当调制深度增加到-10 dB时，产生的脉冲串相当的稳定，频谱非常规整，信噪比高达68 dB。这时得到的脉冲为稳定的超短脉冲，脉冲宽度为268 fs。此外，对超短脉冲重复频率的可控性及信噪比的改善进行了分析，得出了可以通过改变调制频率来改变超短脉冲的重复频率，以及通过选择大群速度色散系数和小非线性系数的光纤可以改善输出脉冲的信噪比的结论。