3μn波段是大气的一个重要的传输窗口,对大雾、烟尘等具有较强的穿透能力,在海平面上传输时受到气体分子吸收和悬浮物的散射小。在军事上,红外制导导弹探测器的响应范围就在3-5 μm波段,针对红外导引头的光电对抗迫切需要该波段的激光光源;在民用领域,3-5 μm波段对应多数气体分子强吸收峰,因此在微量气体探测领域有着广泛的民用价值;在科学前沿领域,超强超短中红外波段激光可以产生高次谐波,实现高亮度、高对比度的阿秒光脉冲和中红外频率梳。另外,在医学上,3 μm波段中红外激光还可以开展疾病光谱诊断技术检测。因此,鉴于3μm波段中红外激光具有重要的应用背景和极大的需求空间,它已成为国防和民用竞相研究开发的热点领域。本论文以钬(Ho3+),镨(Pr3+)共掺的氟化物晶体为研究对象,将晶体光谱特性和激光器设计相结合,在探索Pr3+离子引入对晶体光谱特性影响的基础上结合激光实验,研究Ho3+,Pr3+共掺氟化物晶体3 μm波段连续波、调Q短脉冲和锁模超短脉冲的激光输出特性。具体研究内容如下:1.从3μm的应用需求出发,介绍了 3 μm波段激光在气体探测、激光医疗、材料加工、军事等方面的应用。总结了产生3 μm波段激光的主要技术手段。综述稀土离子掺杂的固体激光器研究进展,阐明目前面临的技术难点和存在的问题。进一步从3μm波段稀土激活离子和基质材料入手,分析了该波段稀土激活离子和基质材料的优化结合。最后总结了本论文的研究内容和意义。(第一章)2.对Ho,Pr:YLF晶体光谱特性进行分析。结果表明Pr3+离子的引入能够有效的“去活”Ho3+:5I7激光下能级寿命,实现3 μm波段激光上、下能级寿命的“反转”,有效的解决了 Ho3+掺杂晶体3 μm激光上能级寿命明显小于下能级寿命的问题。在光谱和能级寿命研究的基础上,结合J-O理论和F-L公式计算了 Ho,Pr:YLF晶体的发射截面和有效增益截面,分析了 Ho,Pr:YLF晶体产生3μm波段激光的可行性。(第二章)3.开展Ho3+,Pr3+共掺氟化物晶体3 μm波段连续波激光特性的研究。从泵浦源的选择出发,对比、总结了几种不同泵浦方式在该波段的应用现状。实验中对比了半导体激光器和光纤激光器作为泵浦源对Ho,Pr:LLF晶体激光输出功率和效率的影响。针对3μm波段连续波固体激光器存在输出功率低(<1W)、高功率和高效率不能兼得等问题,对两种掺杂浓度Ho,Pr:YLF晶体的连续波激光特性进行研究,实现了最大输出功率为1.27 W,最高斜效率为28.4%的2.95μm连续波激光输出。结果表明Pr3+离子的引入能够突破激光振荡“自终止”这一“瓶颈”,实现高功率、高效率的连续波激光运转。考虑a切Ho,Pr:YLF晶体存在偏振吸收,同时双端泵浦方式能够改善晶体内热分布的均匀性,因此,进一步探索了 Ho,Pr:YLF晶体的输出功率,实现了 1.46 W的最大输出功率。借助棱镜调谐技术,研究了 Ho,Pr:LLF晶体调谐激光特性,高的输出功率和宽的连续调谐范围表明Ho,Pr:LLF晶体具有实现超快激光运转的潜力。(第三章)4.开展Ho3+,Pr3+共掺氟化物晶体3μm波段调Q激光特性的研究。基于不同的Q开关技术,分别在Ho3+,Pr3+共掺氟化物晶体中实现了纳秒调Q激光运转。针对3μm波段现有电光调Q激光器存在光束质量差、重复频率低的问题,提出利用铌酸锂电光Q开关加双端泵浦的方案,实现了高重复频率、高光束质量的纳秒脉冲激光输出。在被动调Q脉冲激光实验中,利用半导体饱和吸收镜(SESAM)作为调制元件,实现了 395 ns的脉冲激光输出。探索了新型二维材料(石墨烯、黑磷、二硒化钛)作为饱和吸收体在3 μm波段的脉冲调制潜力。(第四章)5.开展Ho,Pr:LLF晶体3μm波段锁模激光特性的研究。从锁模技术出发,结合目前3 μm波段超快激光器的最新进展,指出目前3 μm波段固体激光器实现锁模运转面临的困难。在激光实验中,结合论文前面章节对Ho,Pr:LLF晶体高功率和宽调谐激光特性的研究,重点研究Ho,Pr:LLF晶体连续波锁模激光特性。(第五章)6.从Ho3+,Pr3+共掺氟化物晶体3μm波段晶体光谱特性,连续波、脉冲激光特性等方面对论文的研究内容和创新点归纳总结并指出论文的不足和有待深入研究之处。(第六章)