激光作为20世纪最伟大的发明之一,在工业生产、科学研究、医疗、军事以及日常生活等领域发挥着重要的作用。全固态激光器由于体积小、工作稳定、光束质量好、效率高等特点,成为目前激光器件的研究热点。激光器按运转方式可分为连续激光器和脉冲激光器两种。脉冲激光器由于具有脉冲宽度小、脉冲能量大和峰值功率高等优点,有着非常重要和广泛的应用。调Q是实现脉冲激光的一个重要方式,可分为主动调Q和被动调Q两种。调Q是通过改变谐振腔的Q值,将激光能量压缩到宽度很窄的脉冲中发射,一般可以得到脉冲宽度为纳秒量级、峰值功率为兆瓦量级的脉冲输出。锁模是另一种获得脉冲激光的方式,主要包括主动锁模和被动锁模。锁模是通过对腔内激光束进行调制,使光束中相互独立的振荡纵模具有确定的相位关系,从而使各个模式相干叠加得到超短脉冲。利用锁模技术可以获得皮秒甚至飞秒量级的超短脉冲输出。被动调Q和被动锁模具有设计简单、成本低、易于调节等优点,得到广泛的应用,可分别满足人们对大脉冲能量激光和超短脉冲激光的需求。被动调Q激光器要得到较大的脉冲能量,需要激光工作物质有较小的发射截面和较长的上能级寿命；锁模激光器要得到较窄的脉冲宽度,需要激光工作物质有较宽的发射谱线。因此人们在发展激光技术的同时,也在积极探索新型脉冲激光工作物质。固体激光器工作物质是通过在基质材料中掺杂激活离子得到。在激活离子中,钕离子(Nd3+)是研究最为广泛的。Nd3+具有以下优点：在808 nm附近的吸收峰与GaAlAs的发射波长非常匹配；在晶体中具有较大的吸收截面；它具有多条发射谱线,可以实现0.9、1.06和1.3μm等多波段激光输出。基质材料中,混晶受到人们的关注。混晶中,不同离子占据相同的晶格点,导致晶格场起伏,使激活离子周围的晶格场不同,从而使吸收和发射谱线产生明显的非均匀加宽,发射截面减小。因此,混晶具有更强的脉冲能量存储能力,更有利于超短脉冲输出。钕掺杂钒酸盐混晶Nd:LuxGdi-xVO4、Nd:YxGd1-xVO4和Nd:LuxYi-xVO4(0<x<1)等已经得到广泛的研究,光谱具有明显的非均匀加宽,调Q脉冲能量得到显著增强。石榴石混晶也同样引起人们的兴趣。石榴石混晶是在石榴石晶体基础上发展起来的。石榴石晶体包括钇铝石榴石(Y3Al5O12,YAG)、镥铝石榴石(Lu3Al5O12, LuAG).钇镓石榴石(Y3Ga5O12, YGG),钆镓石榴石(Gd3Ga5O12,GGG)、镥镓石榴石(Lu3Ga5O12,LuGG)等,它们都具有较高的热导率、高的机械强度以及良好的化学稳定性,是性能优异的激光基质材料。作为石榴石晶体的代表,钕掺杂钇铝石榴石(Nd:YAG)是商业化应用最成功的激光工作物质,其激光输出功率可达万瓦级。但是,钕掺杂石榴石晶体发射光谱相对较窄、发射截面相对较大,限制了在脉冲激光器中的应用。为解决这些问题,人们通过用不同离子占据石榴石晶体的同一格位,发展了石榴石混晶。钕掺杂石榴石混晶包括Nd:Gd3AlxGa5-xO12 (0<x<5,Nd:GAGG)、 Nd:LuxY3-xAl5O12 (0<x<3,Nd:LuYAG)、Nd:LuxGd3-xGa5O12(0<x<3,Nd:LGGG)、 Nd:Lu3ScxGa5-xO12 (0<x<2, Nd:LuSGG)等,它们都被证明具有较好的脉冲激光性能。Nd.LuSGG混晶中,Sc3+和Ga3+在阴离子基团的随机分布使晶格场产生起伏,导致非均匀加宽。为进一步加宽光谱,用Y3+取代Nd:LuSGG混晶中的部分Lu3+,通过阳离子基团使晶格场产生起伏,可以得到非均匀加宽效应更加显著的钕掺杂镥钇钪镓石榴石混晶Nd:LuYSGG。由于钇钪镓石榴石晶体(Y3ScxGa5-xO12, 0<x<2, YSGG)的一致熔融化学式为Y3SC1.43Ga3.57O12,并且之前的研究已经表明Nd:Lu3Sc1.5Ga3.5O12晶体具有良好的脉冲激光性能,因此我们按Nd:Lu3-xYxSc1.5Ga3.5O12 (0<x<3)的化学式生长Nd:LuYSGG晶体。对于含镓石榴石,传统的提拉法为避免坩埚氧化,需要在氮气保护气氛下生长,容易导致氧缺陷的产生和镓元素的变价,影响晶体质量。采用光学浮区法可以很好地解决这些问题,生长过程不需要坩埚,可以在氧气氛下生长,有效降低氧缺陷和避免镓元素的变价。我们采用光学浮区法首次生长出Nd:LuYSGG石榴石混晶,表征了晶体的结构、组分,通过对光学性质的研究证实了该晶体的非均匀加宽效应,通过对激光性能的研究证实了该晶体的被动调Q脉冲能量增强效应。本论文主要工作如下：一、晶体生长介绍了光学浮区法的生长设备和生长工艺流程,讨论了影响晶体质量的几个重要因素,例如料棒、籽晶、熔区稳定性、生长界面形状、生长速度、旋转速度以及生长气氛等。高质量的料棒和籽晶是生长高质量晶体的基础；稳定的熔区和微凸生长界面有利于抑制晶体中缺陷的形成；合适的生长速度和旋转速度是获得高质量晶体的重要保证；采用氧气氛生长能够减少氧缺陷,提高晶体质量。经过多次探索,确定了合适的生长工艺参数,生长出高质量的Nd:Lu3-xYxSc1.5Ga3.5O12(x=1,1.5,2)系列晶体。二、物理性质研究了Nd:Lu3-xYxSc1.5Ga3.5O12 (x=1,1.5,2)系列晶体的结构和组分。X射线衍射数据表明该系列晶体属于立方晶系、Ia3d空间群,并计算了晶体的晶胞参数。Nd:Lu3-xYxSc1.5Ga3.5O12晶体的晶胞参数随着Y3+含量的增大而增大,与Y3+半径(0.9 A)大于Lu3+半径(0.85 A)相一致。用X射线荧光光谱分析法确定了晶体中各元素的分凝系数。Nd在三个组分晶体中的分凝系数均为0.8左右,表明Nd能够较好地掺杂进晶体中。室温下测量了Nd:Lu3-xYxSc1.5Ga3.5O12系列晶体的吸收和发射光谱,并通过J-O理论计算了吸收截面、发射截面、荧光寿命等光谱参数。当x取1、1.5和2时,Nd:Lu3-xYxSc1.5Ga3.5O12晶体在807 nm处的吸收截面分别为3.075×10-20、3.151×10-20和3.189×10-20 cm2,在1.06μm处的发射截面分别为7.2×10-20、8.3×10-20和9.1×10-20 cm2,荧光寿命分别为259.98、262.20和264.00 μs。该系列晶体与Nd:Lu3Sc1.5Ga3.5O12晶体相比,具有宽的吸收和发射谱线、大的吸收截面、小的发射截面以及长的荧光寿命,因此更适合用于脉冲激光器中。三、激光特性研究了Nd:LuYSGG晶体1.06μm和1.33 μm的连续激光输出特性。对于1.06 μm连续激光器,斜效率为48.0%,在10.34 W的吸收泵浦功率下得到最大4.39 W的激光输出,光转换效率为42.5%；通过激光谱发现为双波长输出,波长分别为1058.6 nm和1061.8 nm。对于1.33 μm连续激光器,斜效率为15.9%,在8.62 W的吸收泵浦功率下得到最大输出功率1.24 W,相应的光转换效率为14.4%。以Cr4+:YAG为可饱和吸收体,研究了Nd:LuYSGG晶体1.06μm的被动调Q特性,获得的最大重复率、最窄脉冲和最大脉冲能量分别为9.1 kHz、4.1 ns和157.1μJ。相比Nd:LuSGG晶体,脉宽减小,脉冲能量增加一倍多,证明Nd:LuYSGG晶体有比Nd:LuSGG晶体更强的脉冲能量存储能力。从理论上计算了调Q激光的脉冲能量,与实验结果符合得很好。以拓扑绝缘体Bi2Se3为可饱和吸收体,研究了Nd:LuYSGG晶体1.33 μm的被动调Q特性,得到的最大平均输出功率为0.36 W,相应的光转换效率为4.7%,最小脉宽、最大脉冲重复率和最大脉冲能量分别为146 ns、349.5 kHz和1.03μJ。以V3+:YAG为可饱和吸收体,研究了Nd:LuYSGG晶体1.33 pm的被动调Q特性,得到的最大平均输出功率为0.39 W,相应的光转换效率为6.2%,最小脉宽、最大脉冲重复率和最大脉冲能量分别为20.8 ns、41.6 kHz和9.38μJ。以可饱和吸收耦合输出镜(saturable output coupler, SOC)为可饱和吸收体和输出镜,研究了Nd:LuYSGG晶体1.06μm的被动锁模特性,获得稳定的双波长锁模激光输出。同步双波长脉冲在太赫兹激光输出、泵浦—探测超快光谱测量和等离子体拍波加速器等领域有非常重要的应用。