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2μm波段是高温物体辐射的特征波段，位于水分子的吸收带及大气的高透窗口。以掺Tm和掺Ho激光器为主要代表的2μm激光器在医疗、军事和工业等领域以及中红外非线性频率变换上有着重要应用价值和前景。本文旨在实现常规半导体激光器泵浦下的高效率掺Tm和掺Ho激光器以及新型的Ho激光实现机制。 从光谱层面入手，基于掺Tm增益介质的吸收光谱、激发光谱及量子效率，定义了Tm激光器的泵浦光谱，通过将泵浦光的波长锁定在最佳泵浦峰位，并对泵浦线宽进行压缩，在25W光纤耦合784.9nm LD的泵浦下实现了高功率LD泵浦下高效率的室温Tm激光输出，最高输出功率为11W。采用温度梯度更小的无键合晶体，获取了高达66.5％的斜率效率和59.4％的光光转换效率，是目前Tm∶YAG激光器上最高的激光输出效率，进一步论证了基于光谱方法来提高准三能级激光系统效率的有效性。在此基础上，对主动声光调制Tm激光器进行了探索，分析了不同脉冲重复频率下Tm激光器的平均输出功率、脉冲宽度、峰值功率的演化情况。在1kHz重复频率下，获取了93ns的单脉冲输出，峰值功率达6.87kW。 在高效率Tm激光器的基础上，研究高效率腔内共振泵浦Ho激光的实现机制，在25W LD入射泵浦光下，实现了8.03W的2122nm Ho激光输出，是目前基于端泵结构的腔内共振泵浦Ho激光器中最高的输出功率，并首次对腔内增益介质进行扩散键合，对腔内共振泵浦Ho激光器的光束质量进行改善。在此基础上，观察到由Stark能级Boltzman热布居引起基态再吸收损耗差异而导致的Tm激光器输出波长随增益介质长度的漂移现象。基于这一规律，对谐振腔内Tm激光的输出波长进行操控，实现了激光效率的进一步提升，从LD激光到Ho激光的光光转换效率达到了37.5％，与1.9μm LD共振泵浦Ho激光器的光光转换效率相当。提出了以腔内Tm激光模场半径为传递参数，建立等效谐振腔下有源ABCD矩阵模型与基于温度场分布的OPD热透镜焦距计算模型之间的联系，通过匹配两者之间在Ho增益介质上的热透镜焦距，最终收敛出腔内Tm激光模场半径的同时，获取了谐振腔稳定范围、腔内等效热透镜焦距以及掺Tm和掺Ho增益介质上的温度场分布信息，实现对腔内共振泵浦Ho激光器光质量退化机制的分析。 基于集成光学的思想，提出一种新型的Ho激光实现方式，即Tm/Ho复合激光器，通过将Tm增益介质与Ho增益介质进行扩散键合来实现750～850nmLD泵浦下高效率的室温Ho激光输出。通过采用784.9nm LD，在近18W的吸收泵浦功率下实现最高了6W的连续功率输出，斜率效率为40.1％，光光转换效率达33.6％。采用常规808nm LD，在最高7.12W的吸收功率下获取了最高1.8W的2122.2nm Ho激光，斜率效率为42.2％，光光转换效率为25.5％，光束质量M2小于1.3，进一步论证了该新型机制在泵浦波长选择上的灵活性。在理论上，提出以谐振腔内Tm激光模场半径为等效谐振腔g参数模型和基于温度场的OPD热透镜焦距计算模型之间的传递参数，通过逼近这两个模型中的热透镜焦距，实现对复合增益介质上温度场、腔稳定性以及热透镜焦距的理论计算，并对不同泵浦波长下Tm/Ho复合激光器内部的热效应进行了定量分析。