引力波的存在是爱因斯坦在广义相对论中提出的一个重要预言,引力波探测是当代物理学最重要的前沿领域之一,高功率窄线宽的单频激光器是激光干涉仪引力波探测器的关键部件之一。目前,为了提高引力波探测器在整个探测波段的灵敏度,其中一个解决方案就是替换现有的二氧化硅反射镜材质为单晶硅材质,并且124K的低温下运行以降低测试质量体和悬挂系统的热噪声,而单晶硅的透射波长则要求激光器输出波长必须在2μm波段,并且该波段的激光波长可有效降低探测器中的瑞利散射效应,降低散射噪声。同时,2μm波段单频光纤激光器具有低的相对强度噪声、窄的线宽以及长相干长度等特性,其工作波长包含了水、二氧化碳等大气气体的吸收带,因此其在高分辨率光谱学、激光雷达、非线性频率转换等方面也具有广泛的应用前景。所以,研究2μm波段的高功率单频光纤激光器是有意义的。本论文主要对2μm波段的高功率窄线宽单频光纤激光器进行了系统的研究。首先,利用自制的窄带宽光纤光栅和商用的掺铥石英增益光纤制作出分布布拉格结构的2μm单频光纤激光器,然后通过增益光纤折射率调制和谐振腔腔长调制两种方式实现了输出激光频率的宽带宽扫频范围调谐,之后利用全光纤结构的三级光纤放大器实现了单频功率的光放大。最后,制作了一台输出功率为5W的单频单偏振态光纤激光器工程样机,并初步测试了其在Pound-Drever-Hall激光稳频系统中的调试结果。本文的主要研究内容如下:1.对分布布拉格结构的2μm单频光纤激光器进行了研究。首先,简单介绍了制作光纤光栅的准分子刻写系统,分别在不同光敏光纤上制作出2μm波段的窄线宽光纤光栅。然后利用自制的窄带宽光纤光栅和商用的掺铥石英增益光纤研制出基于分布布拉格结构的单频光纤激光器。激光器的输出功率为毫瓦量级,光信号噪声比大于60dB,线宽大约5kHz。2.通过光纤的光致折射率调制和谐振腔腔长调制两种方式,对单频光激光的扫频带宽进行了研究。当调制器的重复频率为100Hz时,两种调制方式分别可以实现294MHz、588MHz的宽带扫频范围。3.对全光纤结构的2μm单频激光放大器进行了研究。利用多模半导体激光器泵浦双包层掺铥光纤的方式,经过三级光纤放大器,将毫瓦量级的单频激光功率放大至160W。放大后的光信号噪声比仍有55dB,光束质量因子M~2为1.2,线宽小于10kHz,相对强度噪声的驰豫振荡峰值仅比种子源增加了20dB/Hz。4.对2μm单频光纤激光器的应用进行了研究。在澳大利亚西澳大学引力波探测课题组研制一台输出功率5W的单频光纤激光器样机,并进行了相关测试。使用DBR结构的单频光纤激光器作为种子源,采用两级光纤放大的方式实现了5W的线偏振态激光输出,并结合谐振腔腔长调制的方式实现了低压调制的宽带宽扫频输出范围。之后将该工程样机用于Pound-Drever-Hall激光稳频系统,并在实验中观察到相应的误差信号,初步验证了2μm单频光纤激光器在引力波探测器锁腔中的可行性。