1、隨著紅外激光光源在激光遙感、激光測距、光譜分析、大氣環(huán)境監(jiān)測、空間通訊以及軍事方面應(yīng)用的不斷擴展，其重要性越來越明顯。Tm激光器的輸出波長為2μm附近，處于大氣窗口，為遙感探測以及光電對抗提供了有利工具，是相干多普勒測風雷達、差分吸收雷達和激光測距機等系統(tǒng)的理想光源。此外，Tm固體激光器還是獲得3～5μm波段光學參量振蕩激光輸出的理想泵浦源。本論文從理論和實驗兩個方面對常溫下四種單摻 Tm3+固體激光器進行了較為深入細致的比較研究和探索

2、。
　　首先對 Tm3+在 GdVO4和YAP基質(zhì)中紅外、可見和紫外波段的吸收光譜、發(fā)射光譜和熒光壽命進行實驗測量，給出了詳細的能級分布和高度。其次，根據(jù)這些基本數(shù)據(jù)，計算出晶體的吸收截面、發(fā)射截面和有效受激發(fā)射截面。最后，與Tm3+在LuAG和YAG基質(zhì)中的光譜性質(zhì)比較，定性的分析了晶體基質(zhì)對 Tm3+能級分布和躍遷的影響。這些數(shù)據(jù)是J-O理論計算和激光器實驗研究的基礎(chǔ)。
　　理論方面，主要是對 Tm3+在不同基質(zhì)中的光譜

3、參數(shù)進行計算分析并建立了 Tm激光器連續(xù)和Q運轉(zhuǎn)的速率方程模型。首先，通過 J-O理論，計算了 Tm3+在 GdVO4和YAP中的強度參數(shù)并獲得了多項光譜參數(shù)（自發(fā)輻射躍遷幾率、輻射壽命、熒光分支比和積分發(fā)射截面）。通過對光譜參數(shù)的對比，從理論上分析了 Tm3+在哪些晶體基質(zhì)中和Tm3+的哪些躍遷最有可能獲得激光輸出，并對上轉(zhuǎn)換熒光所發(fā)生的能級和強弱對比進行合理解釋。其次，在詳細地分析了粒子躍遷和能量傳遞過程的基礎(chǔ)上，考慮了能量傳遞上轉(zhuǎn)

4、換和基態(tài)損耗效應(yīng)的影響，建立了端面連續(xù)泵浦 Tm激光器的準三能級速率方程的理論模型。得到了描述輸出功率與泵浦功率關(guān)系的方程，利用此方程討論了晶體長度、粒子摻雜濃度、輸出鏡透過率等對激光器輸出特性的影響。并討論了不同上能級壽命情況下，Q脈沖輸出單脈沖能量與調(diào)制頻率之間的關(guān)系，為 Tm激光器的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。最后，在 Tm激光器不同運轉(zhuǎn)模式下，理論分析了F-P標準具、復合腔和雙折射濾光片對波長選擇和線寬壓縮作用。此外，利用 ANSYS軟

5、件不僅計算了 Tm:GdVO4和Tm:YAP晶體內(nèi)的溫度梯度分布而且對注入鎖定實驗中出現(xiàn)的試驗平臺共振頻率進行了理論分析。
　　實驗方面，主要對不同基質(zhì)的Tm激光器在單頻、調(diào)諧、調(diào) Q等運轉(zhuǎn)模式下的實驗結(jié)果進行比較分析并進行優(yōu)化設(shè)計，為不同應(yīng)用方向的Tm激光晶體的選擇提供重要的參考依據(jù)。首先對于單頻輸出的Tm:GdVO4、Tm:YAP、Tm:YAG和Tm:LuAG微片激光器進行了詳細的實驗研究。分別利用標準具法和復合腔法獲得了連續(xù)

6、單頻輸出 Tm激光器，并利用腔內(nèi)插入雙折射濾光片和標準具的方法實現(xiàn)了寬帶可調(diào)諧的單頻 Tm:YAP激光輸出。其次，研究在高功率泵浦條件下 Tm:GdVO4、Tm:YAP、Tm:YAG和Tm:LuAG塊狀晶體激光的連續(xù)波輸出，連續(xù)波寬帶調(diào)諧輸出，聲光調(diào) Q等輸出性質(zhì)，從不同角度給出影響連續(xù)功率輸出的各種因素，包括：晶體材料、晶體質(zhì)量、耦合輸出透射率、晶體長度、工作溫度等。分析了不同晶體材料的熱力學性質(zhì)、測量了熱透鏡焦距。給出 Q輸出條件下