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2.0μm波段激光因其在水吸收波段和大气输出窗口,可以广泛应用于医学手术、神经医学、激光雷达、塑料加工、大气遥感、光学信号处理等领域;而且,2.0μm波段激光还可以作为3-4μm激光器的泵浦光源。2.0μm波段激光光源主要可由掺Tm3+激光器提供。近年来,因为较宽的吸收和发射谱特性,无序结构晶体材料引起了较大的研究兴趣。其中,CaGdAlO4(CGA)和CaYAlO4(CYA)无序晶体由于具有导热系数高、机械硬度强、化学结构稳定等优点,赢得了较多的关注。掺Tm的CGA和CYA激光材料除了具有上述CGA和CYA基质材料的优点外,还具有吸收截面和发射截面大、生长容易等优势,使其成为2.0μm波段热点激光材料。本文研究工作主要分为五个部分内容:(1)利用速率方程理论分析了 Tm连续波和调Q激光的主要输出参数特性;测量了 Tm:CGA和Tm:CYA晶体的吸收和发射光谱,并对光谱参数进行了计算,为激光谐振腔端面镜膜系的设计和制备以及激光实验研究提供了理论基础。(2)根据光学薄膜设计理论,优化设计了实验所需的端面镜膜系结构,并利用等离子体真空溅射方法制备了本实验中所用的全部端面镜。(3)开展了 Tm:CGA和Tm:CYA无序晶体连续波激光实验研究。针对Tm:CGA晶体,在1938nm和1954nm处,获得的最大输出功率分别为3.09W和2.41W,相应斜效率分别为33.7%和28.5%。针对Tm:CYA晶体,在1944nm和1857nm处,获得的最大输出功率分别为7.62W和5.35W,激光斜效率达到50.9%和39.9%,其中7.62W是目前Tm:CYA激光器报道的最高输出功率。(4)利用Cr2+:ZnSe晶体作为可饱和吸收体,获得了 Tm:CGA和Tm:CYA被动调Q激光器。其中,运转在1932nm和1851nm的Tm:CGA被动调Q激光器的最大平均功率、最短脉冲宽度、最大脉冲能量和峰值功率分别为(0.67W,44ns,46μJ,1.04kW)和(0.37W,47ns,37.4μJ,0.79kW);运转在 1938nm 和 1857nm 的Tm:CYA被动调Q激光器的最大平均功率、最短脉冲宽度、最大脉冲能量和峰值功率分别为(2.65W,57.7ns,71μJ,1.305kW)和(2.37W,54.6ns,70μJ,1.17kW)。进一步地,在Tm:CYA调Q激光腔内插入etalon薄片,从而实现了 1848nm-1876nm短波长范围的调Q调谐激光输出,得到平均输出功率瓦级以上的调谐调Q激光。该短波长可调谐调Q激光在医学领域具有潜在的应用价值,可被用来进行医学神经刺激。(5)利用二维纳米材料M0S2作为可饱和吸收体,实现了1948nm(Tm:CGA)和1923nm(Tm:CYA)调Q激光,获得的最大平均输出功率、最短脉冲宽度、最大脉冲能量和峰值功率分别为(0.782W、408ns、6.5μJ、15.9W)和(0.49W、480ns、4.87μJ、9.62W)。