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2μm人眼安全激光处于大气窗口,可广泛应用于激光医疗、激光雷达、环境监测及光通信等领域;此外,2μm激光还可以作为3~5μm宽带可调谐中红外光参量振荡器的高效泵浦光。Ho:YAG晶体是产生高性能2μm激光的首选晶体之一,为了尽快获取高功率、高效率的2μm激光输出,本文开展了2.1μm Ho:YAG激光器及其泵浦源1.9μm Tm:YLF激光器的理论与实验研究。理论方面,首先根据Ho:YAG晶体的物理、机械及光谱特性,阐述了2.1μm Ho:YAG激光器的运转机制;然后依据Ho3+的跃迁机制,建立了考虑Ho-Ho上转换的准二能级速率方程模型,并依据此模型对激光器阈值、输出功率进行了求解;最后理论模拟并分析了上转换损耗、输出镜透过率、泵浦-激光模式比以及晶体参数对Ho:YAG激光器的影响,为后续激光器的设计与实验提供理论指导。实验方面,首先搭建了LD单端抽运Tm:YLF激光器,并依次研究了输出镜透过率、曲率半径及谐振腔长对输出特性的影响,以此选取了最佳的实验参数;其次,开展了以平面镀膜全反镜为腔镜的单LD双端抽运Tm:YLF激光器实验,获得了9.6W的1908nm激光输出,斜率效率和光光转换效率分别为35.9%和29%,线宽大于2nm,且输出波长随着注入功率增加从1908.2nm红移至1909.8nm;接着使用镀膜体光栅代替平面镀膜全反镜,实现了8.8W的1908.2nm激光输出,线宽仅为0.2nm,且波长红移不超过0.6nm。然后,开展了单程抽运Ho:YAG激光器实验,分别研究了输出镜透过率、曲率半径及谐振腔长对2.1μm激光输出特性的影响,在最佳输出条件下获得了4.6W的2122nm激光输出,线宽仅为0.2nm,斜率效率和光光转换效率分别为68.1%和53.2%;最后,根据实验结果分析,提出了高功率、高效率Ho:YAG激光器的设计方案。