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人眼安全的2-μm中红外激光处于水、CO2及诸多气体分子的吸收峰,在激光医疗、有机材料加工、气体探测等方面已经展示出应用潜力。中红外2-μm激光主要通过掺铥或掺钬激光介质产生,而掺铥或掺钬的锁模激光器由于具有短脉宽、宽光谱、高功率的优势,在中红外OPO泵浦、中红外超连续产生、激光外科手术、中红外光谱学等方面具有广泛的应用前景。相比于近红外钛宝石的宽带增益光谱,掺铥激光介质的增益谱通常较窄,因此掺铥锁模激光器大多只能输出皮秒脉冲。而掺铥无序晶体由于具有无序的晶格结构,强的晶格振动耦合使能级分裂并产生多辐射中心,导致了非均匀光谱加宽,因此掺铥无序晶体通常具有较宽的增益带宽。掺铥无序晶体的宽带增益光谱有利于产生超短锁模脉冲,而长程有序的晶格结构又保证它们具有良好的散热能力。本论文我们以2-μm掺铥无序晶体锁模激光器为研究对象,研究了两种新型的Tm:CaYAlO4和Tm,Y:CaF2的无序晶体锁模性能,获得了2-μm波段皮秒和飞秒锁模激光脉冲输出;同时,利用掺铥无序晶体的多波长辐射特性首次实现了2-μm双波长同步锁模激光输出;利用Tm:CaYAlO4无序晶体的高增益和大带宽的特性,在离轴泵浦下首次演示了高阶横模的飞秒锁模激光器,为高质量飞秒涡旋光的产生提供了理想的光源。主要研究内容如下:1.鉴于Tm:CaYAlO4无序晶体激光器中存在较强的自脉冲现象,我们首先研究了掺铥无序晶体激光器中自脉冲的产生机理。我们通过采用平衡态下的一阶线性微扰理论分析了Tm:CaYAlO4激光自脉冲产生的原因。研究表明,处于激光上能级的铥离子进行多声子辅助的反斯托克斯跃迁过程中吸收了其相邻铥离子发射的光子,从而导致光子猝灭,该淬灭效应正是无序晶体激光器中自脉冲产生的原因。在此基础上,我们在Tm:CaYAlO4主动调Q实验中通过控制调制频率使脉冲后沿变陡峭,即处于激光上能级的离子迅速耗尽,实现了稳定的调Q脉冲激光输出。2.我们研究了两种新型掺铥无序晶体Tm,Y,CaF2和Tm:CaYAlO4的锁模激光性能。在Tm,Y,CaF2锁模激光器中获得中心波长1887 nm、脉冲宽度22 ps、最大平均功率114 mW的锁模激光输出;在Tm:CaYAlO4锁模激光器中获得中心波长1966 nm、脉冲宽度31 ps、平均功率超过1 W的锁模激光输出。3.掺铥无序晶体中的无序结构使其具有多辐射中心,激光输出存在多波长辐射的特征,这为在同一激光器中实现同步的双波长或者多波长锁模脉冲创造了条件。该类激光器可通过非线性差频产生相干太赫兹辐射。我们分别基于Tm:CaYAlO4和Tm,Y:CaF2无序晶体实现了2-μm双波长同步锁模激光器:在Tm:CaYAlO4锁模激光器中实现了波长为1958.9 nm和1960.6 nm的双波长同步锁模脉冲输出,产生了0.13 THz的拍频脉冲;在Tm,Y:CaF2无序晶体激光器中实现了波长为1880.7 nm和1889.0 nm的双波长同步锁模脉冲输出,产生了0.71 THz的拍频脉冲。4.传统的锁模激光器输出高斯基横模光束的激光。我们利用Tm:CaYAlO4的高增益特性,采用离轴腔结构,首次演示了可输出厄米高斯（HG）光束的飞秒锁模激光器,输出的飞秒厄米高斯光束可通过柱透镜对转换为飞秒涡旋光束。实验中通过调节离轴角,分别实现了HG00、HG01和HG02飞秒厄米高斯光束产生,脉冲宽度分别656 fs、621 fs和635 fs,波长在1965nm附近,且都可以长期稳定工作。总之,本论文我们较系统的研究了Tm:CaYAlO4和Tm,Y:CaF2两种无序晶体的锁模激光性能,利用掺铥无序晶体的多波长辐射特性获得了中红外2-μm波段双波长同步锁模的激光输出;同时利用Tm:CaYAlO4的高增益特征,首次演示了可输出飞秒厄米高斯光束的高阶横模锁模激光器,为飞秒涡旋光束的产生提供了一条新途径。论文研究工作在超快光谱学、相干太赫兹辐射产生以及飞秒涡旋光束产生等方面具有重要的应用前景。