激光作为20世纪最伟大的发明之一,被誉为"最快的刀"、"最准的尺"和"最亮的光"。而激光晶体作为激光的核心部件,无疑是这刀之刃、尺之标、光之源。近年来,无序结构晶体因兼具玻璃的无序性和晶体的有序性,展现出优异的光谱特质,在超快激光等领域发挥出极大的优势和无限的潜能。本论文瞄准激光领域最前沿的发展需求,以无序结构晶体为研究对象,开展了包括红外激光、可见光激光、超快激光、以及磁光等多种功能的新型无序结构晶体的生长、优化、性能和应用等方面的研究。研究对象具体针对两大类三种系列的无序结构晶体,即:属于K2NiF4结构类型的CaGdAlO4(CGA)系列晶体,和属于石榴石结构类型的YSGG、TSAG系列晶体。具体研究内容表述如下:CGA晶体的生长、物理性能和色心研究以及其在可见波段的应用预测不同气氛环境下成功定向生长了棕色和无色的高质量CGA单晶。CGA晶体在含氧气氛下生长呈现出反常的棕色。运用密度泛函理论对该着色原因进行理论计算,结果表明氧缺陷和氧缺陷引起的可见波段吸收是导致晶体着色的原因。其中,棕色晶体着色主要源于间隙氧缺陷的增加,该计算结果与实验现象吻合较好。之后,我们系统表征比较了不同颜色的CGA晶体的基本性能,包括密度、硬度、热学性质和光学性质等。其中,惰性气体气氛下生长的无色CGA晶体具有结构无序、热学性能优、透过光谱宽(227-7140 nm),且最大声子能量低(618cm-1)等特点,在紫外可见波段的超快激光输出方面具有潜在的应用价值。Pr:CGA可见光激光增益晶体的生长改性、性能提升和光谱性质直接泵浦输出的高功率可见光激光在数据存储、医学、光谱学、荧光显微镜以及全色显示等领域具有重大的应用需求。但受限于激光增益介质,可见波段激光的发展还很不成熟。CGA晶体具备声子能量低、热学性质优、机械加工性能好、透过光谱宽等优点,是一种潜力巨大的可见光激光基质晶体。此外,其无序的晶体结构也为未来锁模激光输出提供了无限可能。因此,该部分展示了关于Pr:CGA晶体生长改性和性能表征的相关内容。其中,我们创造性的采用助熔剂提拉法对Pr:CGA晶体进行了优化生长,优化后的晶体在晶体结晶性、光学均匀性以及热学性质等方面都展现出巨大的提升。另外,我们也对Pr:CGA晶体的光谱性质进行了详细的研究。多项结果表明,Pr:CGA晶体在可见光激光输出方面拥有巨大的潜能。Yb:CLGA晶体的设计生长、光谱展宽和超快激光输出我们通过向Yb:CGA晶体中引入Lu3+离子的方式设计了结构更加无序的Yb:CLGA晶体,并对该晶体进行了生长探索和性能表征。其中,Yb:CLGA晶体的低温(9.6 K)吸收光谱很好的证明了其结构的无序性;而与Yb:CGA相比,Yb:CLGA晶体也在发射光谱中表现出了明显的展宽性能。之后,我们对结构无序度最高的Yb:CLGA晶体的晶体质量和光谱性能进行了全面的表征。此外,基于Yb:CLGA1#晶体的SESAM锁模激光实现了 69.3 fs的超快激光输出。超快激光输出中心波长为1054 nm,平均功率为232 mW,最高峰值功率达到63.7 kW水平。该晶体实现了在1023.1-1088.8 nm波长范围内,调谐宽度达65.7 nm,分辨率为0.1 nm的连续可调谐激光输出。而且,以黑磷为饱和吸收体的Yb:CLGA1#锁模激光实验也实现了基于此饱和吸收体迄今为止功率最高且脉宽最窄的超快激光输出。因此,光谱性质更优的Yb:CLGA 2#晶体有望在更窄脉宽和更高功率的超快激光输出方面实现新的突破。Nd:CGA/Nd:CLGA系列晶体的生长改性和光谱分析成功生长了 Nd:CGA和Nd:CLGA系列晶体,并重点研究了 Lu3+对晶体性质的影响。研究表明,Nd3+离子在CGA晶体和CLGA系列晶体中的分凝系数达到0.78,远大于其在GGG(～0.4)和YAG(～0.2)晶体中的分凝系数,有利于Nd3+离子掺杂晶体浓度分布的均匀性。经过Lu3+改性的Nd:CLGA晶体较Nd:CGA晶体比热性能有所提高,a切样品光谱也发生了明显展宽。其中,Nd:CLGA晶体主峰位置的半峰宽可达22nm,这将大大有利于锁模超快激光的输出。因此,可以预测Nd:CLGA晶体是一·种具有潜在应用的优秀的Nd3+掺杂超快激光晶体。Er:YSGG中远红外激光晶体的高质量生长和高效率激光输出采用60mm 口径的坩锅,成功生长了不同尺寸的高质量的Er:YSGG单晶,最大直径为35 mm,最长等径长度为100 mm。高分辨X射线衍射和激光干涉实验表明所生长的Er:YSGG单单晶(444)面的摇摆曲线为32.61弧秒,光学均匀性均方差达到10-6量级,证明该晶体结晶性好,光学均匀性高。热学性质表明掺杂浓度为30 at.%的Er:YSGG晶体室温下热导率为3.27 W·m·1·K-1。开展了 Er:YSGG晶体端泵连续激光输出实验。实验样品吸收泵浦效率达到93%,实现了最高输出功率745 mW中心波长位于2978.7nm的红外激光输出,输出最高斜效率达到31%。该激光输出斜效率优于目前报道的Er:YSGG连续激光输出最高斜效率水平。TSLAG晶体的生长、改性、磁光性能和隔离器表现使用低成本Sc203原料探索了 TSLAG的生长习性,初步解决了其生长方面的问题。TSLAG晶体莫氏硬度为7.6,具有较好的机械加工性能。晶体性光学性能测试表明:磁光方面,TSLAG晶体具有较低的吸收系数,大的法拉第旋转能力,高的磁光优值,各项数据指标优于商用的TGG(Tb3Gd2Ga3O12)晶体;激光方面,TSLAG晶体在486 nm处存在特征吸收峰,在492 nm、543 nm、552 nm、591 nm和662 nm等处存在发射峰,且荧光寿命达到14.7 μs,具有可见光激光输出的潜能。TSALG晶体成功装配成高功率激光用隔离器产品,各项指标并满足商业化产品要求。此外,我们从籽晶、坩埚、原料、晶体直径等方面进一步优化改进,使用60 mm 口径的坩埚实现了等径尺寸Φ35×60 mm3的高质量TSLAG晶体生长,磁光性能达到TGG晶体的1.2倍,相应的隔离器水平有望进一步提升。