激光是二十世纪最伟大的发明之一。而其中固体激光应用非常广泛,特别是在金属加工、医学、工业制造等方面,如眼科手术,红绿蓝（RGB）光源激光打印机和放映机,环境测量等。历史上,科学家们使用单晶或玻璃被用作固态激光器的增益介质,首先成功的是梅曼在1960年设计的红宝石激光器,而自从1964年人们使用Nd:YAG(Nd:Y₃Al₅O₁₂)单晶在室温下成功产生连续波激光振荡以来,使用单晶的固体激光器的设计不断取得突破。而透明陶瓷激光材料因其相对于单晶激光的诸多优点而成为一种很有前途的候选增益介质。首先,陶瓷可以大量生产,其次,它们可以为高光束质量的光纤激光器提供增益介质,也可以制成结构复杂的复合激光介质,此外,陶瓷可以大量均匀地掺杂激光活性离子。它们还可用于制造新型激光材料,如倍半氧化物,这是传统熔体生长过程所不能生产的,这种新型激光材料具有抗激光损伤能力强、寿命长等优点,在高功率密度激光领域具有广阔的应用前景。所以使用透明陶瓷材料代替单晶材料作为激光增益介质已经成为研究热点。本文先围绕新型激光增益固体材料,理论分析了基质材料对光谱的影响因素以及热机械性能和热光性能,并且详细理论性地给出了能级系统的速率方程描述,从而预测激光输出的特性;随后分别设计和组建了连续波工作的陶瓷激光器和可调谐的陶瓷激光器,具体研究Yb:YAG(Yb:Y₃Al₅O₁₂)和Yb:YSAG(Yb:Y₃Sc_xAl_5-xO₁₂)两种不同基质陶瓷以及同种基质不同厚度陶瓷的光学和热学性能;因为固体激光器存在稳定性较差的缺点,因此开展高稳定的锁模激光器研究是必要的,所以基于半导体可饱和吸收镜技术,实现了全保偏光纤结构的高稳定性的超短锁模脉冲输出。本文具体研究工作内容如下:1.在掺镱激光增益固体材料方面,先分析了Yb³⁺作为活性离子与Nd³⁺相比的主要优点是效率高、产热低,量子缺陷小;然后确定镱作为掺杂元素,并且对比发现在透明陶瓷基质材料中掺杂倍半氧化物,增大了吸收截面和热导系数,从而增强了陶瓷抗激光损伤能力,体现了YSAG材料的耐损伤的优点;然后详细理论性地给出了能级系统的速率方程描述,预测激光输出的特性;最后介绍了激光器的组成和激光产生原理,为进一步研究掺镱陶瓷固体激光器的激光特性提供理论基础。2.在掺镱陶瓷连续激光振荡器研究方面,分别设计和组建了连续波工作的陶瓷激光器和可调谐的陶瓷激光器,具体对比研究Yb:YAG和Yb:YSAG两种不同基质陶瓷以及同种基质不同厚度陶瓷的光学和热学性能。在Yb:YSAG陶瓷激光器中,获得输出功率为1.79W,其对应的斜率效率为19.7%的连续激光,可调谐光谱范围超过19nm。3.因为固体激光器存在稳定性较差的缺点,因此开展高稳定的锁模激光器研究是必要的,首先,研究了光纤锁模激光器的锁模机制,结合理论分析设计并组建了基于半导体可饱和吸收体的全保偏掺铒光纤锁模振荡器,通过优化掺铒光纤放大器增益光纤长度,匹配放大器正负色散光纤长度,获得平均功率119mW,脉冲能量1.43nJ,脉冲宽度73fs的飞秒脉冲;进一步完成了具有抗环境干扰能力的集成化设计,并实现了振荡器重复频率与铷原子钟的精密锁定,重复频率稳定后的频率标准差为160μHz。4.最后使用集成化的半导体饱和吸收镜锁模和腔内插入的光栅还开展了双脉冲光纤锁模激光器的探索研究,获得了光谱重叠重复频率差为13kHz的两个不同锁模脉冲。基于同一个激光器产生两个重复频率有一定差别的锁模脉冲是高相干双光梳种子源的可替代方案。双脉冲激光器单个腔体不仅减小系统体积,还增强了输出两个锁模脉冲的相干性。