由于Nd:YAG晶体材料具有优异的激光性能以及良好的热学特性和机械性能，自上世纪60年代以来，钕掺杂钇铝石榴石晶体就成为固体激光器中占主要地位的工作物质。近年来，随着激光二极管泵浦激光晶体的激光器技术的发展，使得Nd:YAG激光材料在通信、材料加工、激光医疗领域广泛应用，特别是随着激光二极管作为惯性约束核聚变择优泵浦源的出现，使其军事上应用更为突出。Nd:YAG晶体已成为“三大基础激光晶体”之一，作为中、高功率激光器应用方向的主要支撑材料。这些领域向着高能量、大功率固体激光器方向发展，而目前传统的生长方法存在核心、侧心及Nd³⁺离子梯度等缺陷问题难以满足这些领域对大尺寸、高品质及高光学均匀性Nd:YAG激光晶体迫切需求。本文针对上述问题，在晶体尺寸和品质方面进行提升，利用水平定向结晶法（HorizontalDirectional Solidification, HDS）生长板状Nd:YAG激光晶体，计算分析了其生长过程中固液界面的变化形式以及熔体的对流形式；探讨了Nd³⁺离子在晶体中的分布规律及其与对流的关系；分析了生长出Nd:YAG激光晶体结构品质及在生长过程中出现的缺陷类型、分布规律和形成原因，提出了相应的改进措施；最后测试水平定向结晶法生长Nd:YAG晶体的光学性能，利用Judd-Ofelt理论预估其吸收截面、荧光寿命、发射截面等参数，预测了其激光输出特性。采用水平定向结晶法，设计合理的工艺参数，生长出舟型板状的大尺寸板状Nd:YAG激光晶体，尺寸达220mm×140mm×25mm，晶体的物相分析测试、晶体结构的摇摆曲线和透射电镜测试表明Nd:YAG激光晶体的结构完整性优良；晶体干涉条纹和消光比的测试表明晶体的干涉条纹为零级，晶体中无核心和侧心，晶体品质优良；退火后研究表明退火有利于提高其结构完整性。热学和力学性能的测试分析表明水平定向结晶法生长的Nd:YAG晶体的基本物理性能优异。针对水平定向生长Nd:YAG晶体过程中固液界面的热质传递发生变化，导致的固液界面结晶速率和坩埚移动速率不同步问题，推导出水平定向结晶法生长大尺寸Nd:YAG激光晶体过程中固液界面的实际结晶速率公式，对固液界面的结晶速率进行了数值计算分析，结果表明在晶体生长过程中实际的固液界面结晶速率是不断变化的，且与坩埚尺寸、温场梯度及熔体厚度等因素有关；并详细模拟计算了这些因素对固液界面实际结晶速率的影响。优异的热质传递是生长高质量大尺寸Nd:YAG激光晶体的重要条件之一，因此对水平定向生长Nd:YAG激光晶体的熔体对流进行了计算分析，明确在水平定向结晶法生长Nd:YAG晶体过程中的主要对流机制。研究了掺杂Nd³⁺离子在晶体中的沿生长方向的分布规律，及分布规律和温度梯度的关系；研究了掺杂离子(Nd³⁺)在晶体中的垂直于生长方向的分布规律及分布机制；结果显示其分布优于其他生长方法，表明该方法更适合生长Nd:YAG晶体。采用光学显微镜和扫描电镜等实验方法，对Nd:YAG晶体宏观缺陷及微观缺陷进行观测和研究，表明其缺陷主要为散射颗粒（气泡、小的夹杂物及大的包裹体）和位错。详细的研究了散射颗粒的形貌、在晶体中分布规律及形成原因。结合化学腐蚀法及X射线相貌分析法测试了水平定向结晶法生长Nd:YAG激光晶体的位错类型、分布规律；探讨了其形成原因，结果表明晶体中心区域的品质要好于边缘区域，中心区域的位错密度相对较低。表征了水平定向结晶法生长Nd:YAG激光晶体的吸收光谱和荧光光谱。结果表明在808nm处吸收谱带峰值有较大的半峰宽，荧光光谱呈带状的连续分布，中心波长谱图峰值1064.59nm对应于跃迁峰值的理论值1064.15nm，匹配非常好，表明水平定向结晶法生长的Nd:YAG晶体光学质量良好。应用Judd-Ofelt理论求得最佳唯象强度参数分别为Ω₂=0.5022×10^-20cm²,Ω₄=3.3506×10^-20cm²和Ω₆=5.1653×10^-20cm²，同时预估了激光晶体的吸收截面、荧光寿命、发射截面等参数；并测试了实际的激光输出性能，获得了较为优异的功-功转换效率高达37.44%。