稀土离子Er3+在4I11/2和4113/2能级之间的辐射跃迁可以产生2.7～3 μm中红外激光,由于该波段激光处于水分子的强吸收带,在高空中传输损耗小,因此在生物医学、大气遥感、太空军事等领域有着重要作用。近年来,国内外已对Er3+掺杂的激光晶体进行了广泛的探索和研究。其中YSGG基质晶体机械性能好、声子能量较低,使得Er:YSGG晶体作为2.7～3 μm中红外激光增益介质具有很大的优势和潜力。本论文研究了不同浓度Er:YSGG晶体的光谱特性,分析了铒浓度对Er3+能级跃迁及输出波长的影响,并通过激光二极管（Laser diode,LD）端面和侧面两种泵浦方式分别研究了 Er:YSGG系列晶体的激光性能,为促进高功率中红外固体激光器的发展提供重要的参考。本论文的研究内容和结果主要包括以下五点:（1）采用提拉法生长出了九种不同浓度的高光学质量Er:YSGG晶体,分析了 Er3+能级跃迁机制及Er3+掺杂浓度的变化对Er:YSGG荧光光谱和激光上下能级荧光寿命的影响,并通过Judd-Ofelt（J-O）理论计算,得到了 Er3+从基态跃迁到激发态的光谱参数。荧光光谱结果表明,Er:YSGG实现中红外激光输出的Er3+最优掺杂浓度为40 at.%左右。（2）基于LD端面泵浦结构,取掺杂浓度分别为25 at.%,30 at.%,35 at.%,40 at.%和50 at.%的Er:YSGG晶体块进行激光实验。根据不同浓度Er:YSGG晶体在～970 nm LD泵浦源发射波长处的吸收系数,合理设计晶体元件的长度,对比研究了不同浓度晶体块在连续波模式泵浦下的激光性能,分析了 Er3+浓度对激光输出的影响。结果表明,通过优化Er3+掺杂浓度和晶体块长度,有利于提高输出功率,最终在30 at.%Er:YSGG晶体中获得了 1.37 W的2.79μm高光束质量连续激光输出。（3）采用LD侧面泵浦结构,以克服LD端面泵浦系统受限于泵浦面积小,以及泵浦不均匀性造成的热效应问题,研究了 Er:YSGG晶体棒的激光性能。通过优化谐振腔长度及输出镜透过率,获得了 150Hz、25.74W高功率激光输出。此外,分别采用热键合和凹端面两种方法以改善激光晶体在高重频、高功率泵浦下的热效应,并使用COMSOL Multiphysics模拟软件对LD侧面泵浦传统Er:YSGG晶体棒和YSGG/Er:YSGG/YSGG热键合晶体棒的温度分布进行了热模拟,分析了热键合工艺对于改善激光晶体内温度分布的作用。激光实验结果表明,热键合晶体棒和凹端面晶体棒相比传统晶体棒,均可以实现对高重频、高功率泵浦下激光介质热透镜效应的有效补偿,延长泵浦功率饱和点,提高输出功率。（4）将热键合和凹端面两种方法相结合进一步提高激光性能,并对曲率半径进行了优化。设计加工了负曲率半径分别为250、500和1000 mm的凹端面YSGG/Er:YSGG/YSGG热键合晶体元件,对比研究了 LD侧面泵浦条件下三种晶体棒的激光性能。结果表明,采用热键合与凹端面相结合的方法能进一步改善热透镜效应,最终在负曲率半径为500mm的热键合晶体棒中实现了 500Hz、15.59 W的准连续激光输出,相比传统Er:YSGG晶体棒提高了约56.21%,光束质量也有所改善。（5）分析了晶体棒直径对激光输出的影响,对比直径2、3和4 mm Er:YSGG晶体棒在LD侧面泵浦条件下的激光性能。结果表明,直径较小的晶体棒在低频、低功率泵浦下激光输出功率和斜效率较低,但在高频、高功率泵浦下,其激光性能表现出明显优势。本论文的创新点有:（1）研究了不同浓度Er:YSGG晶体生长及光谱特性,结合能级跃迁和荧光光谱对激光输出波长变化的机制给出了合理的解释;（2）根据晶体的吸收特性,优化设计并制备了 30 at.%Er:YSGG晶体元件,在LD端面泵浦条件下实现了 1.37 W的2.79 μm高光束质量连续激光输出;（3）提出了将热键合和凹端面相结合的方法,并对曲率半径进行优化,有效地改善和补偿了 LD侧泵Er:YSGG晶体在高重频、高功率下的热透镜效应;（4）研究了不同直径Er:YSGG晶体棒在LD侧泵条件下的激光性能,发现了激光输出随直径的变化规律,具有重要的潜在应用价值。本论文的研究工作对于新型Er3+掺杂激光晶体的探索、发光机理的研究及浓度优化等具有重要的参考价值,也为改善Er3+掺杂激光晶体的激光性能,发展高性能Er3+掺杂固体激光器奠定良好的技术基础。