激光是通过受激辐射获得的人造电磁波。自1960年第一台红宝石激光器发明以来,激光以其高功率密度、单色性、方向性和相干性等特点,在关系国民经济的各个领域都获得了广泛应用。可以说激光的出现不仅促进了现在光学技术和应用的巨大变革,而且推动了物理学和其他科学技术的进步和发展。特别是2000年后,每隔4-5年就会有与激光相关的研究方向获得诺贝尔奖,这也进一步激励了激光材料和激光技术的发展和应用。随着激光的普遍应用,人们对激光的要求也逐渐提高,各种类型和运行方式的激光器也逐步诞生,其中脉冲激光包括调Q激光和锁模激光,可获得高峰值功率的激光输出,可满足当前信息社会对强电场和强磁场的需求,一直是激光技术研究的前沿。相对而言,调Q激光具有大脉冲能量和高峰值功率的特点,在精细加工、激光测距、激光遥感、信息储存等科研及工业生产领域有重要的需求和应用。目前,随着“中国制造”的不断升级和深入,激光加工技术已经成为集先进技术、智能制造、智能装备融为一体的重要工具,而调Q激光是该技术的基础光源之一,其中调Q光开关是调Q激光的核心元件。调Q开关按照驱动方式可分为主动调Q和被动调Q两类,主动式调Q开关具有稳定的重复频率、较大且稳定的脉冲能量、较高的峰值功率、可控性强以及较小的时间抖动等优点,是激光加工、激光测距等系统装置的首选,例如在激光加工方面,其加工周期和加工效果依赖于调Q开关的性能,特别是其可实现的重复频率。声光和电光调Q开关是两类主要的主动式光开关,其中声光调Q开关可获得可控性较强的脉冲激光输出,但其开关效果受限于其衍射效率,难以实现高开关比运转,限制激光输出的能量;电光调Q开关主要依赖晶体的电光性能,实现激光的偏振调制,可实现高开关比,并获得大能量、短脉冲、高峰值的脉冲激光。目前实用的电光晶体均基于线性电光效应(Pockels效应),其结构上无对称中心,这也决定了线性电光晶体具有压电性能,在高重复频率运转时所引发的压电振铃效应会限制高重复频率激光的输出。目前使用较为广泛的电光晶体主要有磷酸二氘钾(KD2PO4,KD*P)、铌酸锂(LiNbO3,LN)、磷酸钛氧铷(RbTiOPO4,RTP)、偏硼酸钡(β-BaB2O4,BBO)和硅酸镓镧(La3Ga5SiO14,LGS)晶体等,其中,KD*P晶体拥有较高的光损伤阈值,较好的光学均匀性,但该晶体是水溶性晶体,易潮解,使用时必须进行密封性处理,同时,其压电效应较强,在重复频率超过10 kHz时会出现压电振铃效应;LN晶体的物理化学性质比较稳定,具有较宽的透光范围,但是其激光损伤阈值比较低(100 MW/cm2),仅限于中、低功率激光器中应用;RTP晶体具有较小的压电振铃效应,可用于高重复频率运转,但该类晶体属于低对称性的正交晶体,为克服其自然双折射,需成对使用,使得该类电光开关对温度、振动等外界环境较为敏感。BBO作为重要的电光晶体,也一直吸引着人们的关注,但该类晶体在器件使用的Z方向生长难度较大,亟需生长技术的突破。LGS具有较高的光损伤阈值(950MW/cm2)、较宽光透过范围(0.5-4.5μm)、可获得大尺寸高光学质量的晶体等优点,是潜在的电光晶体,特别是其压电系数较小(6×10-12 C/N),可能适合高重复频率运转,但其旋光效应限制电光应用,尚需探索高频条件下电光-旋光的相互作用,并开发高重复频率电光器件。本论文面向调Q激光的发展现状,以发展高重复频率、宽波段调Q开关为目标,紧抓决定压电振铃效应的关键因素,筛选出LGS晶体为研究对象,结合本课题组可生长大尺寸高光学质量LGS晶体的优势,系统LGS晶体的电光-旋光交互作用,探索其高重复频率电光调Q开关的性能并设计激光器件,实现了从1.066 μm到1.988 μm的高重复频率调Q激光输出。主要工作如下:1.LGS晶体旋光-电光交互作用及其“奇数”次电光开关设计LGS晶体是综合性能优秀的电光晶体,但其旋光性能,限制了电光应用,从光的传播方程出发,理论上探讨了旋光性对光的相位和电光效果的影响规律,发现晶体旋光性只改变了光的偏振方向,不产生附加的相位差及相应的电光开关效果;在理论研究基础上,结合旋光“可逆”的特点,提出一种新型“奇数”次穿过LGS电光调Q开关的设计方案,即通过转动四分之一波片,来消除单次通过电光晶体所产生的旋光效应对电光效果的影响。该方案简化了谐振腔设计,更有利于结构紧凑激光器设计和短脉冲宽度激光输出,为后续实验探索奠定了理论基础,为旋光性电光晶体的电光调Q应用提供了新途径。2.波长为1.066 μm高重复频率LGS电光调Q激光在理论研究基础上,设计了“奇数”次LGS电光调Q开关,优选a切0.4at%的Nd:LuVO4晶体为激光增益介质,并实现了 1.066 μm光波段的LGS电光调Q激光输出,其最高输出频率为200kHz,最窄脉冲宽度稳定是5.16ns。在重复频率200 kHz时取得的最高输出功率为4.4 W,斜效率为29.1%,相关研究成为该类晶体电光调Q的最高重复频率运转,且在200 kHz最高频率下未发现压电振铃效应,证明LGS晶体在高重复频率电光调Q激光方面有重要的应用前景,且有提升空间。3.波长为1.342 μm高重复频率LGS电光调Q激光以LGS为电光晶体,设计1.342μm电光开关器件;优选Nd:YVO4晶体为激光增益介质,研究不同掺杂浓度(0.27at%和0.5at%)对1.342μm LGS电光调Q实验的影响规律,优选晶体浓度,在现有条件下,实现重复频率100kHz调Q激光运转,其中掺杂浓度为0.27 at%Nd:YVO4晶体激光的最短脉冲宽度为3.1 ns、最高输出平均功率是2.42 W,0.5at%Nd:YVO4晶体的最高输出功率2.21 W、最窄脉宽2.4ns,所有的结果均未出现压电振铃效应,理论计算了电光调Q最优能量,得出不同重复频率下的能量输出理论值,与实验吻合较好。4.波长为1.988 μm高重复频率LGS电光调Q激光充分利用LGS晶体宽透过光谱的特点,探索其1.988 μm调Q开关性能,针对电光开关所需驱动电压与工作波段激光波长成正比的难题,提出结合激光晶体的增益大小设计电光开关,通过平衡腔内的增益和损耗,设计了一种低驱动电压、高重复频率的LGS电光晶体的开关;利用和优选Tm3+掺杂激光晶体,以增益和损耗的理论计算为指导,发现在泵浦功率为12W的条件下,开关的驱动电压可降低到为3.9kV,比以前的驱动电压降低了 45%,设计了 1.988 μm波段调Q激光,实现了 200kHz重复频率运转,最短脉冲宽度为5.52ns。相关研究为低驱动电压、高重复频率电光开关及调Q激光器特别是中波红外激光器的发展可起到借鉴和指导作用。