三价钕(Nd3+)离子中的准三能级跃迁产生的~900 nm激光,在国防、医疗和工业领域具有重大的应用价值,经过倍频产生的蓝光激光可以应用于水下探测、激光复印和生物医疗等方面。虽然近些年来~900 nm和蓝光激光器得到了极大的发展,但高重复频率~900 nm激光器的输出性能仍与应用需求指标存在巨大的差距。通过对比不同介质结构的掺Nd3+准三能级激光器的研究进展,分析限制激光器性能提升的主要因素,指出其中亟需解决的关键问题。Nd3+离子中的准三能级跃迁的受激发射截面较小,使其易受能量上转换等非线性效应的影响。鉴于此,本论文主要针对能量上转换效应及其对掺Nd3+准三能级脉冲激光器的影响进行研究。通过对Nd3+离子的能级结构的研究得到其中的具体能量转换过程,建立了包含能量上转换和交叉驰豫的二能级吸收速率方程模型。在此基础上,研究能量上转换对激光参量的影响,提出一种装置简单、精度高的测量能量上转换系数的方法。首先,实验获得了模型中的其他未知晶体参量——吸收截面和交叉弛豫系数的大小:室温下Nd:YAG晶体的峰值吸收截面为6.8±0.2×10-20cm2,随温度的升高而减小;交叉驰豫系数大小为3×10-18cm3/s,不随温度变化而改变。利用钛宝石激光器作为泵浦源搭建z-scan实验平台,获得晶体透过率与入射泵浦光强间的关系,通过对比实验数据和理论模拟结果,得到了室温下1.0at.%Nd:YAG的能量上转换系数为4.7±0.5×10-17 cm3/s,详细研究了能量上转换系数的温度和浓度变化特性,对比了不同掺杂基质中的能量上转换系数大小,为全面分析能量上转换对激光器性能的影响提供了可靠依据。为理论研究掺Nd3+准三能级脉冲激光器的输出性能,将能量上转换考虑到反转粒子数密度的积聚方程中,建立包含腔内光子数密度和反转粒子数空间分布、能量上转换和基态再吸收效应的准三能级主动调Q速率方程理论模型,分析不同泵浦条件下基态再吸收和能量上转换对腔内光子输出性能的影响。实验研究了主动调Q Nd:YAG 946 nm激光器,得到了与理论模拟相吻合的实验结果,验证了理论模型的可行性。基于上述理论模型,通过引入被动调Q器件参量,分析被动调Q激光器中的再吸收损耗和可饱和吸收体对激光输出性能的影响。针对能量上转换效应对晶体能级寿命的影响,通过优化谐振腔和可饱和吸收体参量,分别利用Nd:YAG和Nd:YVO4实现了高性能的~900 nm脉冲激光输出。被动调Q 946 nm激光器的输出峰值功率达到31.4k W,最窄脉冲宽度为8.3 ns。利用Nd:YVO4/Cr4+:YAG被动调Q激光器,实现了兆赫兹脉冲914 nm激光输出,工作重复频率达到2 MHz,平均功率为3.8 W,该结果是首次报道的兆赫兹900 nm激光器。为了进一步优化~900 nm激光器的输出性能,研究了新型Nd:Lu VO4晶体的准三能级激光输出特性。通过对晶体长度、泵浦束腰光斑半径和输出镜透过率等参量的优化,将报道的916 nm激光器输出效率提高了1.7倍。根据测得的晶体能量上转换系数,理论模拟并优化了被动调Q 916 nm激光器的输出性能,利用Cr4+:YAG晶体实现了高重频的916 nm脉冲激光输出,最高工作频率达到730 k Hz,最高平均输出功率为0.85 W,最窄输出脉宽为30.8 ns。为解决限制激光器功率提升的热效应问题,采用非稳腔技术对晶体内的热透镜效应进行补偿,20 k Hz 916 nm脉冲激光器的最高平均功率可以达到0.86W。通过腔外倍频技术首次实现了脉冲458 nm蓝光激光输出,脉冲蓝光平均输出功率达到144 m W,在f=5 k Hz时,脉冲458 nm激光器的峰值功率达到927W,倍频效率为28.3%。