近年来,2.6-3 μL波段的激光晶体已经被国内外的研究人员进行了广泛和深入地探索和研究。石榴石系列晶体由于其高对称性、高化学稳定性、高热导率性能以及在熔融状态下易长出大尺寸和均匀的单晶体而吸引了广大科研工作者的关注。GSAG晶体是一种结合了 YAG和GSGG优点的晶体,它采用Al离子替换了 Ga离子,消除了 Ga离子容易挥发的隐患,更容易生长出高质量、均匀和大尺寸的晶体。此外,相比较含Ga的晶体如GGG,GSGG,YSGG等,含A1的石榴石晶体如YAG,YSAG,GSAG含有更稳定的氧化物组成成分。氧化物形态的变化和氧空位的形成使得含Ga的石榴石晶体更容易形成色心的问题,在含A1的石榴石晶体中被大大地抑制[1]。20世纪八九十年代,闪光灯泵浦的固体激光器出现了蓬勃的发展局面,由于GSAG和YSAG晶体的声子能量较高,Er:GSAG和Er:YSAG晶体被认为不适合于中红外波段激光的产生。近年来,随着LD激光器的迅猛发展,使得泵浦光的效率获得了较大的提高,以及未来对于多波长高功率激光器的需求,为Er:GSAG和YSAG中红外激光晶体的发展创造了好的条件,使其成为一种很有发展潜力的中红外晶体材料。本论文以GSAG和YSAG晶体为基质,通过高浓度Er3+的掺杂,成功生长出了 Er:GSAG,Er,Pr:GSAG,Er,Pr:YSAG单晶体。研究了它们的结构组成、物理性质、光学性质和抗辐照性能,并表征了晶体的激光特性。主要研究结果如下:通过提拉法生长出了高光学质量的30 at.%Er:GSAG晶体,研究了Er:GSAG晶体的晶胞参数和Er3+在GSAG晶体中的分凝系数。对Er:GSAG晶体的吸收光谱进行了 J-O理论分析计算。结果表明,高浓度Er3+掺杂的GSAG晶体4I11、2→4113/2跃迁的荧光分支比达到了 17%,大于大部分Er3+掺杂的激光晶体,证明Er:GSAG晶体是一种潜在的2.8 μm晶体材料。对辐照前后晶体的光学性能与发光性能进行了研究,表征了γ射线辐照对晶体物理化学性能的影响。采用962 nmLD作为泵浦源,在0.5 ms脉宽、300 Hz重复频率的脉冲模式下,未辐照的晶体获得了最大输出功率为408mW,斜效率为9.5%,且在相同测试条件下辐照前后晶体的输出能量变化不大。结果表明Er:GSAG晶体是一种优异的抗辐照中红外激光晶体。采用提拉法首次生长出了高光学质量的Er.Pr:GSAG晶体。系统地研究了晶体的吸收和发光光谱,并与相同浓度Er3+单掺的GSAG晶体进行对比,分析了Er3+和Pr3+能级之间的能量传递过程,计算出了 Er3+→Pr3+的上下能级能量传递效率分别为12.5%和94.9%,大于Er:GSGG和Er:GGG晶体,可以实现Er,Pr离子之间能量的有效传递,有利于实现中红外波长的激光输出。我们还研究了Er,Pr:GSAG晶体的抗辐照性能,发现Pr3+离子的掺入并没有影响晶体的抗辐照特性。采用962 nm LD作为泵浦源,在脉冲模式下,Er,Pr:GSAG晶体实现了2.696 μm和2.828 μm的双波长输出,最大输出功率为343 mW。在重复频率为100Hz时,其斜效率达到了 11.8%,激光阈值为293mW,与30at.%Er:GSAG相比阈值也有所降低。以上结果表明通过掺入退激活离子Pr3+,有效地加宽了晶体的吸收带和降低了 Er3+的下能级寿命,提高了晶体的激光转换效率,降低了晶体的泵浦阈值,改善了晶体的激光性能。同时该晶体表现出优异的抗辐照性能,值得进一步的深入研究。采用提拉法首次成功生长出了高光学质量的Er,Pr:YSAG晶体。系统研究了该晶体的热力学和光学性能。实验证明,在常温下,Er,Pr:YSAG晶体具有较高的热导率5.927W*m-1 K-1。高的荧光强度和大的吸收发射截面证明该晶体是一种有潜力的中红外激光材料。利用962 nmLD作为泵浦源,在脉冲模式下,实现了2.694μm和2.825μm的双波长激光输出。在泵浦脉宽0.5 ms,重复频率300 Hz时,获得最大输出功率为239 mW,斜效率为6.1%;在重复频率为100 Hz时,获得了较大的斜效率和光光转换效率,分别为11.7%和9.0%,激光阈值为412 mW。以上结果充分说明了Er,Pr:YSAG可以实现中红外激光的有效输出,然而目前功率相对较低,以后的工作中可以进一步优化Er离子和Pr离子的含量来实现Er,Pr:YSAG晶体更高功率的激光输出。在本研究中,我们开展了以GSAG和YSAG为基质材料的新型Er:GSAG,Er,Pr:GSAG和Er,Pr:YSAG中红外激光晶体的探索研究工作,为未来发展Er离子掺杂的GSAG和YSAG中红外激光晶体及激光器奠定了基础。开辟了 Er3+掺杂的固体激光器运转的新波段,为高功率中红外激光的产生提供了新的解决途径。