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三价镨离子(Pr3+)在可见光波段存在丰富的跃迁。利用蓝光泵浦，掺Pr材料可以实现蓝色、绿色、橙色、红色和深红色的下转换激光输出。与采用光学非线性过程如倍频、混频方式相比，利用下转换直接获得可见光激光的方式避免了非线性光学晶体的使用，其激光器结构紧凑、转换效率高、光束质量好，并且不需要严格的温控。掺Pr可见光激光器在显示、水下通信、生物医学、量子信息等领域有广阔的应用前景。在众多的掺Pr激光材料中，掺镨氟化钇锂(Pr∶LiYF4，或Pr∶YLF)晶体由于具有优良的激光特性而受到国际上的广泛重视。然而，由于泵浦源缺乏、材料生长等方面的原因，国内关于掺Pr材料的激光特性的研究开展得很少。本论文从研究Pr∶YLF晶体特性入手，较为系统的进行了该晶体的光谱特性与激光性能的研究。主要内容和贡献概括为:
1.不同温度下的光谱特性的研究。当前对于Pr∶YLF晶体常温下的光谱特性已有较多研究，而温度对光谱变化的影响却鲜有报道。本文测量计算了Pr∶YLF晶体在12-300K温度范围内的吸收谱、发射谱，从实验和理论上分析了温度对吸收截面、受激发射截面、光谱加宽与位移的影响。
2.构建了高效的Pr∶YLF可见光固体激光器。分别采用蓝光激光二极管(LD)和蓝光光泵半导体激光器(OPSL)作为泵浦源，实现了半导体泵浦Pr∶YLF红光、绿光、橙光固体激光器。利用OPSL泵浦获得的红光(～640nm)、绿光(～523nm)和橙光（～607nm）功率分别为914mW、831mW和524mW，其光-光转换效率分别为60％、51％和36％。524mW的橙光功率为掺Pr材料3P0→3H6跃迁已报道实现的最高功率。利用单个LD泵浦获得的红光、绿光、橙光功率分别为304mW、193mW和199mW，其光-光转换效率分别为40％、26％和27％。研究发现采用低浓度掺杂的Pr∶YLF晶体有助于获得更高性能的橙光激光输出。
3.实验和理论上研究了Pr∶YLF红、绿双波长固体激光器。利用OPSL作为泵浦源，采用简单的平凹腔获得了红、绿双波长(640nm+523nm)激光输出，每种颜色激光连续输出功率大于100mW。在准连续泵浦条件下，获得的红、绿激光平均输出功率分别为121mW和61mW（对应峰值功率分别为242mW和122mW)。实验通过将谐振腔失准、调制泵浦功率来降低模式竞争对激光性能的影响。通过调制泵浦功率观察到双波长激光的增益切换，并实现了两色激光的切换输出。理论研究表明两个波长阈值的相对关系是影响双波长激光运转的重要因素，而在固定输出镜透射率的情况下影响阈值相对关系的关键是腔内损耗。研究表明，利用泵浦功率调制或腔内损耗调制可实现双波长的切换输出。
4.针对Pr∶YLF晶体较少研究的深红光3P0→3F3跃迁谱线展开研究。利用LD和OPSL作为泵浦源，获得了π偏振方向上的698nm深红激光，连续输出功率分别为215mW和547mW，将此前用Ar离子激光器泵浦获得的698nm激光功率提高了数倍。利用偏硼酸钡(BBO)晶体腔内倍频，在LD泵浦方式下首次获得了33mW的349nm紫外连续激光输出。利用BBO的双折射特性选择偏振，首次获得了σ偏振方向上的696nm激光，输出功率为51mW。
镀膜质量对激光性能尤为重要。本论文实验中使用的绝大多数激光腔镜为自行设计，并利用偏转等离子体溅射工艺自行镀制。本文部分内容将对Pr∶YLF激光器膜系设计与制备进行简要描述。