Tm∶YAG激光器的输出波长在2μm附近，处于人眼安全谱段，能被水强吸收，同时它的大气消光比低，可以用石英光纤传输，以上优点使其在医疗、激光遥感、激光测距、光电对抗等众多领域得到了广泛的应用。此外，它还是获得3～5μm波段光学参量振荡激光输出的理想泵浦源。由于Tm∶YAG是典型的准三能级系统，而且具有较小的受激发射截面，因此在常温下运转激光阈值高效率低。温度对Tm∶YAG激光器的输出特性具有显著的影响，降低温度可以明显改善其输出性能，然而低温系统的复杂性阻碍了这方面的研究进展，相关的实验数据十分匮乏。基于以上现状，本文研究了Tm∶YAG晶体的制冷机冷却技术和不同温度下可获得的低温输出特性，主要研究内容如下:　　 1.Tm∶YAG激光器的基础理论分析。从激光原理出发，对Tm∶YAG激光器的三个基本的组成部分激光工作物质、谐振腔及激励能源分别进行了讨论;分析了Tm∶YAG激光器准三能级结构的特点，同时阐述了前人关于Tm∶YAG激光器输出功率与温度的关系的理论研究。　　 2.脉冲管制冷机原理及疲劳特性的研究。通过对脉冲管制冷机原理的分析，提出当前制约脉冲管制冷机可靠性和使用寿命的关键因素，即脉冲管制冷机的压缩机内板弹簧的疲劳问题。针对这样的问题，对板弹簧的常用材料进行了实验研究，实验数据表明，60Si2Mn材料适合作为板弹簧材料，同时对板弹簧的结构对其疲劳性能的影响进行了有限元模拟，首次提出了一个可以用来评价板弹簧性能的概念一刚度应力比。在此基础上，研制出了5W/80K的长寿命脉冲管制冷机，当输入功率为175W时，该制冷机的制冷量能够达到8.2W，完全能够满足Tm∶YAG晶体冷却的需要。　　 3.脉冲管制冷机与Tm∶YAG激光器间的耦合传热特性研究。对脉冲管制冷机与Tm∶YAG激光器间的耦合方式和结构形式进行了分析研究，对脉冲管制冷机与Tm∶YAG晶体耦合后冷端的漏热损失进行了理论计算，同时根据Tm∶YAG晶体对泵浦光的吸收特性，结合晶体在不同温度下的导热特性对晶体内的温度分布情况进行了数值模拟，得出制冷温度对晶体内温度均匀性的影响。此外，对代替制冷机作为冷源的液氮杜瓦和液氦杜瓦进行了设计计算，得出两种装置的漏热情况及低温液体的消耗量。　　 4.低温杜瓦冷却的Tm∶YAG固体激光器实验系统的设计。为了在大温区范围测量Tm∶YAG晶体的输出特性，为选用制冷机提供依据，建立了低温杜瓦冷却的Tm∶YAG固体激光器实验系统，完成了两套低温杜瓦冷却的Tm∶YAG固体激光器的设计，分别是液氮杜瓦冷却的Tm∶YAG固体激光器和液氦杜瓦冷却的Tm∶YAG固体激光器。前者在通入液氮后20min可以使Tm∶YAG晶体从室温295K降至80K，后者利用液氦降温时，晶体最低温度可达5.3K，降温时间为40min。两套实验系统均可实现对晶体的温度控制，为进行Tm∶YAG激光器低温输出特性的研究提供了有力保障。　　 5.宽温区Tm∶YAG固体激光器输出特性的实验研究。利用研制的低温杜瓦冷却的Tm∶YAG固体激光器进行了Tm∶YAG激光器的激光输出特性实验，结果表明:在侧面抽运时，在泵浦功率为60W的情况下，获得了14.2W的最大激光输出，光-光效率为23.67％，当温度升至210K时，激光输出降为0。利用端面抽运的方式解决了侧面抽运的增益分布不均及泵浦功率密度不高的问题，并在泵浦功率为8.9W时获得了4.68W的最大激光输出，对应的光-光效率为52.58％，斜效率为55.26％，该效率为国际上已报道文献的最高效率。此外，通过实验研究得出了激光输出特性随温度的变化趋势，实验结果与前人的理论研究结果具有较好的一致性。　　 本文通过对Tm∶YAG晶体的制冷机冷却技术及低温输出特性的研究，解决了制冷机与Tm∶YAG晶体的耦合问题及制冷机的选型问题，获得了Tm∶YAG晶体在宽温区范围内的输出特性，为Tm∶YAG激光器向小型、高效、长寿命的实用化方向发展奠定了理论基础。