中红外3μm波段包含水的强吸收峰与多种温室气体的特征吸收峰,具有水吸收效率高、通讯保密性好、可直接振荡输出等优点,在生物组织切除、材料加工、表面脱水、大气遥感、空间通讯、光电对抗等医疗、制造、生物、传感、军事领域具有重要应用价值。基于稀土离子掺杂激光晶体的3μm固体激光振荡器,结构紧凑、光束质量好、功率稳定性高,但由于缺乏高质量激光晶体与高可靠调制器件,3μm波段固体连续激光振荡器输出功率仍处于瓦级,脉冲激光的脉冲宽度处于百纳秒级,技术指标落后。本论文针对当前中红外3μm波段固体激光发展瓶颈,围绕高热导率、低声子能量的Er:Lu2O3激光晶体,依次开展激光晶体制备工艺与表征、高功率连续激光振荡器、新型3μm波段调制器件机理/制备/表征、基于新型调制器的3μm波段脉冲激光等研究。主要研究内容如下:1.Er:Lu2O3激光晶体制备工艺与表征:分析倍半氧化物激光晶体的物理、光学特性,凝练Er:Lu2O3激光晶体的光谱学特性与热学特性。分析铼-镥氧势图,开展了制备工艺研究,与合作单位采用热交换法,成功生长出大尺寸、高质量Er:Lu2O3单晶。测试晶体透射谱、晶体吸收谱、热膨胀系数等参量,为高功率Er:Lu2O3激光器的研制提供依据。2.Er:Lu2O3高功率连续激光器:搭建单端泵浦Er:Lu2O3连续激光器,对比两种掺杂浓度激光晶体的激光性能,获得了高功率连续激光输出。开展双端泵浦Er:Lu2O3连续激光器研究,分析了泵浦光斑直径、耦合输出率、模式匹配等对激光功率表现的影响,表征了其输出光谱、功率稳定性、光束质量等参量。3.新型3μm波段调制器件:基于密度泛函理论,仿真了 ZrC等半导体材料的能级结构、态密度等物理量。依据泡利阻断原理,预测了 ZrC、MoTe2、碳纳米角等材料在中红外波段的可饱和吸收特性。通过超声辅助液相剥离法制备了 ZrC、MoTe2等新型材料,使用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱等仪器,揭示了上述材料的微观形貌与分子振动等特性。分别标定材料在宽光谱范围内的线性透过率与3μm波段的非线性透过率,验证了其在3μm波段的可饱和吸收特性,并获得饱和光强、调制深度、饱和透过率等参量。4.新型宽禁带3μm波段调制器件:验证了 BN等禁带宽度大于3μm激光光子能量的宽禁带材料在3μm波段的可饱和吸收特性,实验标定了 BN可饱和吸收体在3μm波段的可饱和吸收参量,利用激子吸收理论给出定性解释。5.基于新型调制器的3μm波段脉冲激光器:分别使用ZrC、MoTe2、碳纳米角等窄禁带新型可饱和吸收体与BN、Mg-MOF-74、Fe,Ni-LDH等宽禁带可饱和吸收体,开展Er:Lu2O3脉冲激光器研究,测定了上述脉冲激光器的输出特性。通过本文的研究,取得以下突破进展:（1）将单端泵浦Er:Lu2O3连续激光器输出功率提升至8.11W,比现有同类激光器的最好结果提升了 17%。（2）采用双端泵浦结构,获得10.14W输出功率,为当前室温中红外3μm连续固体振荡器的最高功率。（3）表征了 ZrC、MoTe2、碳纳米角、Mg-MOF-74、Fe,Ni-LDH等材料在3微米波段的可饱和吸收特性,并获得了脉冲激光输出。基于ZrC,将基于新型可饱和吸收体的3μm调Q激光脉冲宽度压缩至百纳秒以下,达到50ns。（4）观测到BN在3μm的可饱和吸收现象,使用BN等宽禁带半导体材料实现3μm脉冲激光。基于上述研究成果,未来采用板条、薄片等高散热效率激光结构,可将中红外3μm波段稀土离子掺杂连续固体激光的功率提升至数十瓦至百瓦量级。同时基于新型可饱和吸收体,可实现3μm波段超快激光输出。