Alexandrite (Cr3+:BeAl2O4) and Tm3+:YLF lasers are important, emerging solid-state lasers which generate coherent radiation in the near-infrared (700-820 nm) and mid-infrared (1800-2100 nm and 2200-2400 nm) regions of the electromagnetic spectrum, respectively. Both lasers have potential applications in diverse fields including biomedical imaging, surgery, ranging and spectroscopy. The experimental studies presented in this thesis investigate both the continuous-wave diode pumping and pulsed operations of Alexandrite lasers near 760 nm and Tm3+:YLF lasers near 2300 nm. In both cases, low threshold continuous-wave diode-pumped operation was demonstrated. In the case of the Alexandrite laser, pulsed operation was achieved by using the method of self-Q-switching. Passive Q-switching was employed in the case of the Tm3+:YLF laser to generate pulses by using a Cr2+:ZnSe saturable absorber. The first part of the thesis focuses on the investigation of the temperature-dependent spectroscopic properties of the Alexandrite crystal and diode-pumped operation of the Alexandrite laser. First, the emission intensity and the fluorescence lifetime of Alexandrite were shown to decrease with increasing crystal temperature. Second, the diode-pumped laser performance was investigated in detail. In the laser experiments, the maximum output power of 48 mW was obtained with a slope efficiency of 36% at the input diode pump power of 170 mW. The laser slope efficiency decreased from 36% to 12% as the temperature of the gain medium was increased from room temperature to 200°C. Self Q-switching with pulse widths in the range of 5-15 µs and repetition rates in the range of 10-35 kHz was further observed by slightly changing the curved mirror separation of the cavity.In the second part of this thesis, the continuous-wave operation of a 2.3-µm Tm3+:YLF laser was investigated. First, the excitation spectrum of the Tm3+:YLF was measured by using a tunable, narrow-linewidth Ti3+:sapphire laser. Also, the average absorption cross-section of the 1.5 at. % Tm3+:YLF was determined to be 0.77×10-20 cm2 by using power-dependent and position-dependent absorption saturation data. A single-mode 120-mW diode laser was then used for pumping the Tm3+:YLF laser cavity at 792 nm. In this configuration, low threshold lasing could be achieved with as low as 25 mW of input pump power by using a 1% output coupler. The maximum output power of 10.5 mW was obtained at 2305 nm with a slope efficiency of 11.4%. Second, by using a 250-mW diode laser, the threshold pump power and slope efficiency were measured as a function of effective output coupling. The minimum threshold pump power of 4 mW was measured at 0% output coupling. Power efficiency measurements showed that the highest slope efficiency of 10% was obtained around 0.7% output coupling and that the slope efficiencies beyond this output coupling decreased monotonically. The stimulated emission cross-section at 2305 nm was determined from the laser threshold data as 0.55×10-20 cm2.The third part of this thesis focuses on the pulsed operation of the Tm3+:YLF laser at 2.3 µm. To the best of our knowledge, passive Q-switching of a 2.3-µm Tm3+:YLF laser was demonstrated for the first time by using a Cr2+:ZnSe saturable absorber. The pulse durations and repetition frequencies of the passively Q-switched pulses were in the ranges of 1.2-1.4 µs and 0.3-2.1 kHz, respectively. By using the power-dependent repetition frequency data, the small-signal loss of the Cr2+:ZnSe saturable absorber was further determined. In addition to passive Q-switching of the 2.3-µm Tm3+:YLF laser, preliminary data on pulsing generated by using a semiconductor saturable absorber and a graphene saturable absorber are also presented. We foresee that both Alexandrite and 2.3-µm Tm3+:YLF lasers operated in continuous-wave or pulsed regimes will find numerous scientific and technological applications.

Alexandrite (Cr3+:BeAl2O4) ve Tm3+:YLF lazerleri elektromanyetik spektrumun yakın kızılaltı (700-820 nm) ve orta kızılaltı (1800-2100 nm ve 2200-2400 nm) bölgelerinde eş evreli ışıma yapan önemli, gelişen lazerlerdir. Her iki lazerin de biyomedikal görüntüleme, cerrahi, uzaklık tayini ve spektroskopi gibi çeşitli alanları içeren potansiyel uygulamaları vardır. Bu tezde sunulan deneysel çalışmalarda, 760 nm civarında çalışan Alexandrite ve 2300 nm civarında çalışan Tm3+:YLF lazerlerinin hem sürekli dalga diyotla uyarımı hem de darbeli olarak çalışmaları incelenmiştir. Her iki durumda da düşük eşik değerli sürekli dalga diyot pompalı çalışma rejimi gösterilmiştir. Alexandrite lazerinin darbeli olarak çalıştırılması, kendiliğinden Q-anahtarlama yöntemi kullanılarak elde edilmiştir. Tm3+:YLF lazeri içinse, darbeler bir Cr2+:ZnSe doyabilen soğurucu kullanılarak pasif Q-anahtarlama ile üretilmiştir. Tezin birinci kısmında, Alexandrite kristalinin sıcaklığa bağlı spektroskopik özellikleri ile Alexandrite lazerinin diyot pompalı olarak çalıştırılması incelenmiştir. Öncelikle, Alexantrite kristalinin ışıma şiddeti ve floresans yaşam süresinin artan kristal sıcaklığına bağlı olarak azaldığı gösterilmiştir. Daha sonra, diyot pompalı lazer performansı ayrıntılı olarak incelenmiştir. Lazer deneylerinde, 170 mW pompa giriş gücü ile en yüksek 48 mW lazer gücü %36 verimle elde edilmiştir. Kazanç ortamının sıcaklığı, oda sıcaklığından 200 °C'ye çıkarıldığında ise, lazer verimi %36'dan %12'ye düşmüştür. Rezonatör çukur aynalarının konumu hafifçe değiştirildiğinde ise, 5-15 µs aralığında darbe genişlikleri ve 10-35 kHz aralığında darbe tekrar frekanslarına sahip kendiliğinden Q-anahtarlamalı darbeler gözlemlenmiştir. Tezin ikinci kısmında, 2.3 µm Tm3+:YLF lazerinin sürekli dalga çalıştırılışı incelenmiştir. Öncelikle, dar dalgaboyu genişliğine sahip Ti3+:safir pompa lazeri kullanılarak Tm3+:YLF kristalinin uyarım spektrumu ölçülmüştür. Ayrıca, Tm3+:YLF kristalinin soğurma arakesiti, güce ve konuma bağlı soğurma doyumu verileri kullanılarak ortalama 0.77×10-20 cm2 olarak belirlenmiştir. Daha sonra 120mW güç veren tek kipli bir diyot lazer kullanılarak Tm3+:YLF lazer rezonatörü 792 nm'de uyarılmıştır. Bu konfigürasyonda %1 geçirgenliğe sahip çıkış aynası ve en düşük 25 mW pompa giriş gücüyle düşük eşik değerli lazer ışıması elde edilmiştir. Bu durumda, 2305 nm dalgaboyunda en yüksek 10.5 mW çıkış lazer gücü ve %11.4 güç verimi elde edilmiştir. Daha sonra, 250 mW çıkış gücü sağlayan bir diyot lazer kullanılarak eşik pompa güçleri ve güç verimleri çıkış aynası geçirgenliğinin bir fonksiyonu olarak ölçülmüştür. En düşük eşik pompa gücü %0 geçirgenliğe sahip çıkış aynası kullanıldığında 4 mW olarak ölçülmüştür. Güç verimi ölçümlerine göre en yüksek verim yaklaşık %0.7 çıkış geçirgenliğinde %10 olarak belirlenmiş ve daha yüksek geçirgenliklerde de verimin monotonik olarak azaldığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, lazer eşik gücü ölçümlerinden 2305 nm dalgaboyundaki uyarılı ışıma arakesiti 0.55×10-20 cm2 olarak belirlenmiştir.Tezin üçüncü kısmında, Tm3+:YLF lazerinin, 2.3 µm dalgaboyunda darbeli olarak çalıştırılması üzerine odaklanılmıştır. Bildiğimiz kadarıyla, 2.3 µm Tm3+:YLF lazerinin Cr2+:ZnSe doyabilen soğurucu kullanılarak pasif Q-anahtarlamalı olarak çalıştırılması literatürde ilk kez gösterilmiştir. Pasif Q-anahtarlamalı darbelerin darbe süreleri ve darbe tekrar frekansları sırasıyla 1.2-1.4 µs ve 0.3-2.1 kHz aralıklarındadır. Güce bağlı darbe tekrar frekansı verisi kullanılarak Cr2+:ZnSe doyabilen soğurucunun küçük sinyal kaybı belirlenmiştir. Tm3+:YLF lazerinin pasif Q-anahtarlamalı çalıştırılmasına ek olarak, yarı iletken doyabilen soğurucu ve grafen doyabilen soğurucu kullanarak elde edilen ilk darbe verileri de sunulmuştur. Hem Alexandrite hem de 2.3 µm Tm3+:YLF lazerinin sürekli dalga veya darbeli çalıştırılmalarının pek çok bilimsel ve teknolojik uygulamada yer alacağını öngörüyoruz.