在激光器诞生之后的50多年中,激光技术得到了迅猛的发展。发光功率、峰值功率、光束质量、脉冲宽度、体积及成本等各项指标不断得到改善。其中,全固态激光器具有效率高、性能稳定、体积小等特点,已经成为了激光技术研究中的主流,在空间通讯、器件加工、医疗、光学成像等诸多领域有了广泛的应用。人们一般把脉冲宽度在皮秒到飞秒量级的脉冲,称为超短脉冲。超短脉冲具有脉宽窄、峰值功率高、光谱宽等特点。如今,超短脉冲也已经广泛应用于人们日常生活和工业生产中。锁模技术是获得超短脉冲的重要手段。锁模技术主要可以分为主动锁模和被动锁模,后者使用可饱和吸收体作为锁模元件,可以获得更短的脉冲宽度。在过去的20年中,随着半导体激光器的发展和新型光学可饱和吸收体出现及成熟,被动锁模技术有了很大的发展,获得了极短脉冲宽度(小于10fs)、极高的峰值功率(经放大可达PW)和超高的脉冲重复率(超过100GHz)。目前,在被动锁模激光器中主要使用的可饱和吸收体包括：半导体可饱和吸收镜(SESAM)、单层碳纳米管(SWCNT)和石墨烯(Graphene)。相比于半导体可饱和吸收镜,单层碳纳米管和石墨烯材料具有制备过程简单、工作光谱范围广等优点。双钨酸盐晶体(KRE(WO4)2, RE=Gd, Lu和Y)拥有优良的物理、化学性质,是一种优良的激光基质材料。通过在晶体中掺杂Nd、Yb、Tm等稀土离子,已经实现了高效激光运转。同时,此类晶体属于单斜晶系,由于低对称性导致其吸收、发射光谱较宽,有利于获得超短脉冲。无序晶体在一定程度上综合了光学玻璃和有序晶体的特性。相对于光学玻璃,无序晶体的热导率高,受激发射界面大。同时,由于无序晶体中的离子在一定范围内的无序分布,使其拥有了类似玻璃的无序结构,可以实现宽发射光谱。钙锂铌镓石榴石(CLNGG)是一种典型的无序晶体。本论文的研究工作主要集中新型被动锁模激光器的研究上。实验中采用SESAM和SWCNT作为可饱和吸收体,实现了多个波段的被动锁模激光器。在1μm波段,我们分别使用Nd:KLu(WO4)2和Yb:CLNGG作为激光晶体；在1.5μm波段,使用Cr:YAG作为激光晶体；在2μm波段,使用Tm,Ho:KLu(WO4)2作为激光晶体。采用不同参数的SESAM和SWCNT作为可饱和吸收体,分析了不同的可饱和吸收体的参数对锁模效果的影响。实验研究了被动锁模激光器的特性并用现有理论加以解释。同时,研究了被动调Q拉曼激光器中的自锁模现象,分析了自锁模现象和可饱和吸收体的小信号透过率、泵浦功率以及谐振腔长度之间的关系。本论文的主要研究内容如下：1.研究了LD泵浦的Nd:KLu(WO4)2连续激光特性和被动锁模激光特性。当吸收泵浦功率为4.4W时,输出1070.2nm连续光功率为3.3W,对应的转换效率为75%。使用SESAM作为可饱和吸收体,采用Z型腔,实现了连续锁模运转。最大输出功率为1.4W,脉冲重复率为102MHz,对应的单脉冲能量为6.8nJ。脉冲宽度为11.5ps,对应的峰值功率为0.6kW。在实验过程中,观察到在高泵浦功率的条件下,连续锁模脉冲出现脉冲分裂现象。2.研究了Yb:CLNGG被动锁模激光器的特性。使用SWCNT作为可饱和吸收体。当输出镜的透过率为0.4%时,获得最短脉冲宽度为90.2fs；当输出镜的透过率为3.0%时,获得最大平均输出功率为90.5mW,脉冲宽度为137.3fs。在高泵浦功率的条件下,锁模脉冲的光谱中出现了连续分量,成为限制输出功率增长的因素。使用SESAM作为可饱和吸收体。当输出镜的透过率为1.0%时,获得脉冲宽度为55.6fs的超短脉冲,平均功率为60.1mW。当输出镜的透过率为3.0%时,获得了最大的平均功率为150.5mW,脉冲宽度为115.6fs。3.研究了Cr:YAG被动锁模激光器的特性。使用SWCNT作为可饱和吸收体。获得了49.6fs的超短脉冲,中心波长为1509.4nm,光谱宽度50.8nm。系统研究了锁模激光器的特性,找到了最佳泵浦功率。使用频率分辨光学开关法(FROG)测量了谐振腔中的色散,为下一步优化谐振腔设计做好了准备。4.研究了Tm,Ho:KLu(WO4)2被动锁模激光器的特性。使用SWCNT作为可饱和吸收体,获得了2.4ps的超短脉冲,中心波长为2058.9nm,光谱宽度为1.7nm,对应的时间带宽积为0.3。使用透过率为3.0%的输出镜,获得了最大平均输出功率110.7mW。使用SESAM作为可饱和吸收体,获得了7.2ps的超短脉冲。实验中尝试了多种参数不同的SWCNT和SESAM,并通过改变棱镜对的间距改变谐振腔中的色散补偿,但始终无法获得飞秒脉冲。5.研究了全固体态拉曼激光器中的自锁模现象。以Nd:YAG晶体作为激光增益介质,以SrWO4晶体作为拉曼工作介质,以Cr:YAG作为被动调Q元件,实现了内腔式被动调Q拉曼激光器。并研究了自锁模现象和谐振腔长度,泵浦功率,Cr:YAG的小信号透过率之间的关系。实验发现,当谐振腔的长度大于50cm时,自锁模现象明显且稳定。自锁模现象和泵浦功率、小信号透过率之间没有明显关系。在全泵浦范围内都可以观察到调制深度为100%的自锁模现象。本研究论文的主要创新点如下：1.研究了LD泵浦Nd:KLu(WO4)2被动锁模激光特性。使用SESAM作为可饱和吸收体,获得了11.4ps的超短脉冲,平均输出功率为1.4W。这是首次有关LD泵浦Nd:KLu(WO4)2被动锁模激光器的报道。证明了Nd掺杂的双钨酸盐晶体可以用来获得高功率皮秒脉冲。2.首次研究了以Yb:CLNGG作为增益介质,以SWCNT为可饱和吸收体的被动锁模激光特性。当输出镜的透过率为0.4%时,获得最短脉冲宽度为90.2fs,这是目前使用透射式SWCNT在1μm波段所获得最短脉冲。3.首次研究了以Yb:CLNGG作为增益介质,以SESAM为可饱和吸收体的被动锁模激光特性。获得了55.6fs的超短脉冲,平均输出功率为60.1mW。这是目前为止,在Yb掺杂的各向同性的晶体中,获得的最短的超短脉冲。4.首次研究了Tm,Ho:KLu(WO4)2被动锁模激光器的特性。使用SWCNT作为可饱和吸收体,获得了2.4ps的超短脉冲。使用SESAM作为可饱和吸收体,获得了7.2ps的超短脉冲。这是首次有关Tm,Ho:KLu(WO4)2晶体被动锁模的报道。5.研究了被动调Q拉曼激光器中的自锁模现象。实验证明,被动调Q拉曼激光器中的自锁模现象和泵浦功率、小信号透过率没有明显的关系。