3-5μm中红外相干光源为中波红外大气透射窗口,覆盖许多分子原子吸收谱,被称为分子“指纹谱”,在光谱探测、环境监测、医疗诊疗以及光电对抗等军民领域具有广泛的应用前景。采用2μm Tm-Ho激光级联泵浦ZnGeP₂光参量振荡器是目前实现高性能3-5μm激光输出的主要手段之一,该方面的研究对于中红外激光器的发展有着重要的指导意义。本论文从泵浦源Tm:YLF、Ho:YAG激光的优化设计和ZnGeP₂光参量振荡器的理论分析与设计出发,对高光束质量中红外ZnGeP₂光参量振荡器进行研究,具体开展的研究工作和取得的主要研究成果如下:理论方面:对光参量振荡的三波耦合过程的整体运行机理进行建模与求解,分析得出其三波输出特性以及转换效率,并进一步采用环形腔DRRO结构实现对平平腔DRO逆转换效应的抑制。基于ZnGeP₂ OPO激光系统实际运行环境建立了高重频窄脉宽泵浦非线性晶体瞬态温度场分布模型,并进一步对ZnGeP₂晶体光热色散特性进行研究分析,为实现ZnGeP₂光参量振荡器激光输出提供了理论依据。设计方面:分别对ZnGeP₂前级泵浦源和高光束质量ZnGeP₂光参量振荡器系统进行优化设计与分析。基于对Tm:YLF激光系统的热效应建立与分析,提出对晶体散热结构以及消像差泵浦耦合系统的优化设计,缓解晶体存在的热效应问题。基于双重引导效应建立并分析Ho:YAG激光非线性波动方程,通过对有效吸收系数的改变,实现2μm Ho:YAG激光激光输出模式的优化。基于对ZnGeP₂ OPO光束质量的改善提出非平面环形腔结构的优化设计,通过对其像旋转角的计算,设计了一种具有90°像旋转角的特殊四镜非平面环形腔结构,并通过对腔内光场模式分布的仿真分析,验证了此种腔型设计可以改善OPO激光输出光束质量。实验方面:对ZnGeP₂ OPO的前级泵浦源Tm:YLF、Ho:YAG激光进行实验研究,获得输出功率超过26W的Tm:YLF激光输出,中心波长1908.56nm、线宽0.15nm。以此双端泵浦Ho:YAG激光,获得平均功率22.8W输出,脉冲宽度为21.02ns,输出中心波长2090.73nm,光束质量为M_x²=.153,M_y²=1.55,实现了高功率高光束质量2μm Ho:YAG激光输出。基于以上激光系统为泵浦源对ZnGeP₂ OPO进行实验研究,对比平平腔下不同泵浦结构及不同腔长对光束质量的影响,实现从双程泵浦短腔结构（M²≈8）到单程泵浦长腔结构（M²≈.35）的优化。在单程泵浦的基础上对平面环形腔进行实验研究,测得输出光束质量为M²≈.28,证明该结构对光束质量具有一定的改善作用。为了进一步改善光束质量,对90°像旋转非平面环形腔进行实验研究,实现光束质量为M²≈.18的参量光输出,证明此种腔型结构对ZnGeP₂ OPO光束质量具有较好的改善效果。由此在泵浦功率为21.5W时,获得5.97W的中红外激光输出,光束质量为M_x²=.181,M_y²=.161,最终实现了高光束质量中红外ZnGeP2光参量振荡器激光输出。