LD泵浦的全固态激光器(DPSSL)由于具有体积小、结构紧凑、使用寿命长以及转换效率高等特点使其广泛应用于军事、工业、医疗和科学研究等多个领域。激光增益介质作为固体激光器中最重要的组成部分,决定着固体激光器的发展趋势和应用前景。其中,Nd:YAG自从1964年报道以来,到目前为止已经成为应用最为广泛的一种激光增益介质,输出功率可达万瓦级。但Nd:YAG晶体也存在一些问题,例如Nd3+掺杂浓度不高,吸收峰较窄,泵浦效率较低等,限制了Nd:YAG晶体的应用范围,因此需要我们去探索其他的石榴石晶体来弥补这方面的不足。对于石榴石家族来说,它的化学式为A3B2C3O12,A对应十二面体位置,B对应八面体位置,C处于四面体位置,主要包括Gd3Ga5O12(GGG), Y3Ga5O12(YGG)、Lu3Ga5O12(LuGG)、La3Lu2Ga3O12(LLGG)、Y3Sc2Ga3o12(YSGG)、Gd3Sc2Ga3O12(GSGG)、Ca3(Nb,Ga)2Ga3012(CNGG)等。其中,由于LuGG晶体的高熔点和Ga2O3的挥发,过去对此晶体的研究多集中于闪烁性能方面,之前的报道证明了其具有与Nd:YAG一样优良的物化性能,因此我们认为Nd掺杂的LuGG应该也有与Nd:YAG晶体同样优异的激光性能。综上,我们在本文中系统的研究了该晶体的基本物理性能及激光性能,探索了它的激光应用前景。传统的石榴石晶体在短脉冲领域应用受到限制,主要是因为其窄的光谱带宽和大的发射截面。窄的光谱带宽会限制超短脉冲的产生,而大的发射截面则导致小的储能能力并影响其在调Q激光领域的应用。因此,人们将注意力转移到混晶上,这是由于混晶具有非均匀加宽的谱线,可以增加晶体的储能能力。先前的报道证明混晶在调Q和锁模方面要比单晶具有更好的优势,因此我们用Sc取代部分的Ga离子得到一种新的石榴石混晶—Lu3ScxGa5-xO12,并研究了此混合晶体的结构、物理性质以及激光性能等。另外,随着近年来InGaAs激光二极管在0.9到1.1μm发射波段范围的发展,Yb掺杂的激光材料由于其自身的低量子损耗,宽的吸收和发射带宽等特点使其很好的应用于超快激光、高功率以及可调谐激光器中。对于Yb掺杂的石榴石晶体,例如Yb:YAG、Yb:GGG,已经在可调谐连续以及飞秒激光器中被证明为很好的增益介质,但是到目前为止并未有对Yb:LuGG以及Yb:YGG晶体性能的详细报道。在本文中,我们对这两种激光晶体的性能及其在脉冲领域的应用前景都进行了详细的研究和分析。现阶段如何尽量减小热效应对激光晶体的影响,是目前激光器研究特别是高功率激光器研究的重要课题。为了获得高功率的激光输出,人们提出了复合晶体的概念。通过热键合等方法制备的复合晶体已经大大改善了激光的热性能和光束质量,有利于激光器的稳定及高功率运转。在本章中,我们首次创新性的提出采用光学浮区法制备石榴石复合晶体,并对此复合晶体的相关性能进行了研究。基于对这几方面的认识,本论文系统的表征了这几种石榴石晶体的性能,主要工作如下：一、晶体生长1、采用光学浮区生长炉,以[111]方向的YAG晶体为籽晶制备了一系列石榴石晶体,包括：Nd:Lu3ScxGa5-xO12(x=0、0.5、0.8、1、1.2、1.5), Nd:YGG, Yb:YGG和Yb:LuGG晶体等。探索了合适的晶体生长参数,并得到了高光学质量的石榴石晶体。2、介绍了晶体生长的设备及其制备过程,并对生长过程中可能出现的问题进行了分析;讨论了影响晶体质量的重要因素,包括生长气氛、料棒制作、晶体的转速和生长速度等。选择合理的生长参数(包括转速和拉速)是获得高质量单晶最重要的保证；氧气氛保护和退火步骤能够减少氧缺陷和消除热应力,有效改善晶体的质量；等径均匀、准直致密的料棒可以保证晶体生长过程中稳定的熔区,利于得到高质量晶体。二、基本物理性能1、首先研究了晶体的结构和组分。采用X射线粉末衍射仪测定了晶体的X-ray衍射谱,结果表明生长的晶体属于立方晶系和Ia3d空间群,并计算了相应的晶胞参数。对于Nd:Lu3ScxGa5-xO12晶体来说,由于Sc离子半径大于Ga离子,随着x的增大,晶格参数也是随之增大的。另外,通过X射线荧光分析确定了Nd:Lu3ScxGa5-xO12晶体中各个元素的有效分凝系数以及Yb离子分别在YGG和LuGG中的有效分凝系数。2、系统的研究了石榴石晶体的热学性质,包括比热、热膨胀、热扩散、热导率和热冲击常数等,以及这些性质随温度变化的规律。对于Nd:Lu3ScxGa5-xO12晶体,x值趋近于1时,晶体的热导率逐渐减小,这主要是由于晶体无序度的增大以及x=1时达到最大,从而影响了晶体的热性能。另外,Yb:YGG和Yb:LuGG晶体都具有较好的热学性质,热导率分别为3.97和4.94Wm-1K-1,有潜力应用在中高功率激光器中。3、室温下测定了Nd:Lu3ScxGa5-xO12系列晶体的吸收和发射光谱,并通过J-O理论计算了相应的光谱参数,包括吸收和发射面积,荧光寿命等,并讨论了x值变化对光谱参数的影响。其中,x趋向于1时,晶体的发射面积逐渐变小,而对应的荧光寿命则逐渐增大,证明其具有更好地储能能力。另外,此混晶相比于常用的Nd:YAG晶体,具有较大的吸收和发射谱线、小的发射截面以及长的荧光寿命等特点,证明其具有较好的泵浦吸收效率,而且在短脉冲激光器中也有很好的应用前景。4、室温下测定了Yb:YGG和Yb:LuGG两种晶体的吸收和发射光谱,并通过倒易法和F-L公式理论计算了相应的光谱参数,包括吸收和发射面积,荧光寿命等,相应的计算了晶体的有效增益截面。这两种晶体的最强吸收峰分别为971nm和924nm,最强发射峰分别为1024和1023nm。最强发射峰的发射面积分别为2.56和1.4×10-20cm2,荧光寿命分别为1.78和1.04ms。结果表明这两种晶体都具有宽的吸收和发射谱线,在超快和可调谐激光器中有着很好的应用前景。三、激光性能1、Nd:A3B2C3O12(1)研究了Nd:YGG晶体的连续和被动调Q激光性能。首先连续激光性能：在1.06μmm处获得了高功率的连续激光输出,最大的输出功率为7.15W,光光转换效率和斜率分别为50.7%和52.7%；其次被动调Q性能：当泵浦功率为11W时,得到的最短的脉冲宽度为3.1ns。通过重复频率和平均输出功率,我们可以计算最大的脉冲能量为153.8μJ,再结合脉冲宽度,计算得到的峰值功率为46.6kW。另外还测定了晶体的激光谱,发现Nd:YGG晶体可以实现三波长输出,分别为1062.1、1060.3和1058.9nm,频率分别为0.47THz、0.37THZ和0.85THz,能够在太赫兹领域有一定的应用前景。(2)研究了Nd:LuGG晶体的连续激光性能。当泵浦功率为5.2W时,阈值为1.37W,最大的平均输出功率为855mW,斜率和光光转换效率分别为23.42%和16.44%。如果进行腔优化和晶体镀膜,我们相信晶体的输出功率会有进一步的提高。根据光谱分析仪还测定了晶体的连续激光谱,中心波长位于1062nm。(3)研究了Nd:Lu3ScxGa5-xO12系列晶体的连续激光性能,并讨论了激光性能随x的变化规律,其中特别对Nd:Lu3Sc1.5Ga3.5O12的连续和调Q性能进行了系统的研究。对于Nd:Lu3Sc1.5Ga3.5O12,泵浦功率为21.9W时得到的最大输出功率为6.96W,光光转换效率达到31.8%。在被动调Q激光实验中,得到的最窄脉冲宽度为5.1ns、最大的脉冲能量为62.5μJ和最高的峰值功率约为12kW。另外,在泵浦功率高于2.27W时,实现了Nd:Lu3Sc1.5Ga3.5O12晶体的双波长激光输出,分别为1059nm和1061.5nm,这说明Nd:Lu3Sc1.5Ga3.5O12激光器有潜力应用于THz辐射激光源、泵浦探针、光聚焦以及遥感等领域。2、Yb:A3B2C3O12(1)研究了Yb:YGG晶体的连续和被动调Q激光性能。连续激光性能：当Pabs为9.93W时,最大的输出功率为6.75W,光光转换效率达到68%,另外当泵浦功率大于4.5W时,斜率可以达到85%。被动调Q性能：当T=30%,T0=85.0%时,得到最短的脉冲时间为5.9ns,最大的脉冲能量为140.8μJ和最高的峰值功率为28.6kW。(2)研究了Yb:LuGG晶体的连续和被动调Q激光性能。连续激光性能：当透过率为5%时,能够实现最有效的激光输出,吸收泵浦功率为10.5W时,得到最大的输出功率为5.36W,光光转换效率为51%,而泵浦功率位于3-9W时,斜率可以达到63%。被动调Q性能：当泵浦功率为9.05W时,脉冲能量为91μJ,脉冲持续时间为26ns,对应的峰值功率为3.5kW。另外,相比较于连续发射谱中的多峰,被动调Q的发射谱中只有一个波峰1034.5nm,表明此晶体的被动调Q进程可以用于激光选频。(3)研究了Yb:YGG(?)勺被动锁模激光性能。采用Z型腔和半导体可饱和吸收镜,对应中心波段1045nm处的FWHM带宽为5.8nm,得到的锁模脉冲时间为245fs,为目前报道的该晶体锁模激光实现的最短脉冲宽度。四、复合晶体发明了用光学浮区法生长复合晶体的方法,采用此方法生长得到了高质量的Nd:YGG复合晶体。对得到的晶体进行了加工和测试,通过SEM-EDS测定了多段复合晶体的浓度浓度分布,结果表明此复合晶体的浓度分布呈现规律性变化。此外,我们还比较了三种不同长度的两段复合晶体的激光性能,当T=10%时,激光性能分别为：9mm,最大的输出功率为4.1W,光光转换效率为39.5%；8mm,最大的输出功率为3.3W,光光转换效率为30%；7mm,最大的输出功率为3.42W,光光转换效率为28%。因此,9mm长的复合晶体相比于其他两块短晶体具有更好的激光性能。此外,当吸收泵浦功率达到8W时,7mm长的复合晶体的激光转换斜率开始呈现下降趋势,而9mm长的复合晶体则在吸收泵浦功率达到12W时尚未出现下降的趋势。这说明此复合晶体中未掺杂的部分增大了晶体的制冷面积,有效的改善热效应,保证了激光转换效率,这也证明了光学浮区法是一种有效的生长复合晶体的方法。