掺铥单频光纤激光器是获得2μm波段窄线宽激光光源的主要途径之一,在光谱学、遥感、激光雷达等方面具有重要应用。本文从拓展2μm高性能掺铥光纤激光器的波长覆盖范围和优化其光谱线宽特性的研究目标出发,利用单模-多模-单模(single-mode-multimode-single-mode,SMS)光纤器件的滤波作用实现了环型腔掺铥光纤激光器在2μm以上波长的单频运转,并通过混合增益掺铥布里渊光纤激光器结构对单频光纤激光器的线宽进行进一步压缩,实现了k Hz量级超窄线宽的2μm波段激光输出,具体研究内容如下:1.对SMS器件的多模干涉滤波效应进行数值模拟,理论分析了入射光波长、多模光纤长度、多模光纤纤芯尺寸等因素对SMS器件透射特性的影响,讨论了其作为滤波器件的可行性;并实验制备了低损耗多模干涉滤波器件。2.设计搭建了环型腔掺铥光纤激光器,将级联SMS器件作为滤波器插入环型腔内,以掺铥光纤在其1.9μm发射峰附近的激射,实现了波长2005 nm附近的激光输出,并进一步采用Sagnac环可饱和吸收体结构进行纵模选择,获得了波长2004.9 nm、输出功率的20.9 m W的单频激光。3.设计搭建了基于1570 nm纤芯泵浦和793 nm包层泵浦结构的混合增益掺铥布里渊光纤激光器,实验研究了环型腔耦合输出、泵浦方式、光纤长度等参数对Stokes光功率和线宽的影响;通过参数优化实现了线宽0.93 k Hz、输出功率344 m W的Stokes光输出,相比于布里渊泵浦光线宽压缩43倍,并进一步通过一级包层泵浦光纤放大器将窄线宽Stokes光的功率放大至5.5 W,相应光谱线宽为1.93 k Hz。