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在新型材料中利用新的物理机理产生光学双稳态是非线性光学领域的一个极为重要的研究方向。稀土离子掺杂晶体的光学双稳态不仅拓展了光与固体介质中活性离子相互作用的非线性光学现象,而且在可见?红外光谱全固态波长路由和光开关以及光学双稳显示等方面具有潜在的应用前景。本论文系统地研究了Tm3+,Ho3+共掺氟化钇锂晶体的激光光学双稳态、Tm3+单掺和Tm3+,Yb3+共掺激光晶体的本征光学双稳态,理论分析了激光光学双稳和本征光学双稳产生的具体物理机理,将有源光学双稳态拓展到了新的三价稀土离子Tm3+掺杂的激光晶体介质。实验获得了Tm3+,Ho3+共掺氟化钇锂(Tm3+,Ho3+:YLF)晶体在792 nm激光抽运下稳定运转的2μm红外波段全固态双稳激光输出。建立了端面抽运Tm3+,Ho3+共掺激光晶体的光学双稳激光器速率方程模型,给出了2μm激光振荡的光学双稳态方程,从理论上解释了2μm激光的双稳输出特性。在实验与理论分析的基础上,探讨了Tm3+,Ho3+:YLF激光晶体的激光光学双稳态的物理起源。给出了Tm3+单掺激光晶体的耦合速率方程模型和荧光辐射模型,预言了648 nm激光雪崩抽运Tm3+单掺激光晶体的本征光学双稳态及可见?红外发光转换特性。数值模拟了Tm3+单掺激光晶体能级布居数的本征光学双稳迟滞响应、Tm3+离子辐射的光谱双稳和发光强度双稳态,以及可见与红外辐射光谱转换等现象,同时给出了系统参数对本征光学双稳的影响,探讨了Tm3+离子辐射光谱转换现象的物理起源。利用Tm3+,Yb3+共掺激光晶体的光子雪崩速率方程模型,给出了Tm3+,Yb3+共掺激光晶体本征光学双稳态的稳态与动态特性分析,讨论了Tm3+,Yb3+离子掺杂浓度的优化、晶体基质的选取和晶体温度的影响,提出了在Tm3+,Yb3+共掺激光晶体中获得本征光学双稳态的参数优化方案和光学双稳回线的动态调控操作。同时给出了本征光学双稳开关的瞬态动力学响应,揭示了Tm3+,Yb3+共掺激光晶体本征光学双稳开关的临界慢化现象。提出了统一描述Tm3+单掺和Tm3+,Yb3+共掺激光晶体本征光学双稳态的简化物理模型,给出了基于Tm3+离子的掺杂激光晶体的本征光学双稳态方程和双稳开关阈值关系,确定了在Tm3+离子掺杂的相关激光晶体中存在本征光学双稳态的必要条件,在理论上完整地描述了基于Tm3+掺杂激光晶体的本征光学双稳现象。同时讨论了在Tm3+单掺和Tm3+,Yb3+共掺激光晶体中产生本征光学双稳态的具体机理和存在条件,并解析解释了Tm3+,Yb3+共掺激光晶体中本征光学双稳开关的临界慢化现象。