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随着高性能InGaAs二极管的发展，掺yb3+激光材料引起了人们极大的研究兴趣。Yb：YAG晶体由于量子效率高，不存在激发态吸收和上转换，具有宽的吸收带和发射带，长的荧光寿命，优良的光学、热力学和机械性能等特点而成为发展高效、高功率固体激光器的最具应用潜力的激光介质之一。Cr,Yb：YAG晶体是一种将yb3+增益介质的优点和Cr4+的可饱和吸收特性结合起来的新型自调Q激光晶体，将有利于实现二极管抽运固体激光器的小型化、集成化和实用化。
本论文系统研究了Yb：YAG和Cr,Yb：YAG晶体的生长和物理性能，取得了一些创新性成果，主要包括以下几个方面的内容：采用温度梯度法生长了大尺寸、高质量的Yb：YAG晶体，晶体尺寸为φ75×45mm3，激光损伤阈值高达20J/cm2。与提拉法相比，温梯法生长的Yb：YAG晶体中不存在yb2+和色心，晶体的晶胞结构更稳定。用940nm的二极管激光器作为泵浦源，泵浦温梯法Yb：YAG晶体，获得5.5W的连续激光输出，斜率效率为28％。发现Yb：YAG晶体在1370℃存在相变，采用相对低的温度1000～1300℃退火，解决了高温退火后晶体中存在散射颗粒的难题，获得高质量的Yb：YAG晶体。研究了Yb：YAG晶体的晶胞参数和yb3+的分凝系数，揭示了晶格常数、晶体密度与yb3+掺杂浓度的关系式。研究了Yb：YAG晶体的光学性能，揭示了主、次峰处的吸收系数与yb3+掺杂浓度的关系式，讨论yb3+掺杂浓度和色心对荧光猝灭的影响，分析了Yb：YAG的上转换荧光的起因和yb3+掺杂浓度对合作发光的影响。采用提拉法生长了50at.％Yb：YAG晶体和Yb3Al5O12晶体，与低浓度5at.％Yb：YAG晶体的光谱性能比较，研究表明：高浓度Yb：YAG及Yb3Al5O12晶体是有前景的高功率激光增益介质。确定了Yb3Al5O12晶体的2F5/2态的三个Stark能级分别为10329，10658和10904cm-1。研究了yb3+掺杂浓度对X射线激发发射光谱和拉曼光谱的影响。分析了Yb：YAG晶体热学性能的温度效应和yb3+的浓度效应，发现掺杂浓度增加、温度升高，晶体的热学性能变差，为了获得高光束质量和高稳定激光输出，对高浓度Yb：YAG晶体应该采取有效的冷却措施。
研究了高温氧气气氛退火和Cr掺杂浓度对Cr,Yb：YAG光谱性能的影响，通过计算yb3+→Cr4+能量转移效率，确定了Cr,Yb：YAG晶体中Cr的最佳浓度值。采用提拉法生长了Cr：Yb3Al5O12晶体，通过光谱的研究，发现Cr：Yb3Al5O12晶体将Cr4+的可饱和吸收特性和yb3+的增益特性结合起来，将有可能成为一种新型的自调Q激光晶体。用937.5nm光纤耦合二极管泵浦Cr,Yb：YAG晶体，获得了1.03μm的自调Q激光输出，输出的最大平均功率为156mW，斜率效率为18.5％，自调Q脉冲脉宽为3.3ns，单脉冲能量为20μJ，光束质量因子M2的值为1.17。开展了Cr,Yb：YAG晶体在Cr4+可调谐激光输出方面的探索工作，从理论上分析了激光输出的可能性，提出yb3+可做为Cr4+的敏化剂，以实现Cr4+的高效率、低阈值、近红外1200～1600nm波段可调谐激光运转。