高功率2μm飞秒脉冲光纤激光光源由于兼具高平均功率、窄脉冲宽度、高峰值功率以及结构简单紧凑等特点，在强场物理、中红外非线性光学、光学精密测量以及材料精密加工等众多领域具有重要的应用价值。被动锁模以及光纤非线性频率转换方法作为获得2μm波段超短脉冲的两种最有效的技术手段，近十年来得到了国内外的大量研究。为了得到高平均功率、高峰值功率的飞秒脉冲输出，需要采用啁啾脉冲放大技术放大超短脉冲，避免脉冲放大过程中高峰值功率诱发的非线性效应导致的脉冲畸变。本课题研究致力于探索实现2μm波段全光纤飞秒脉冲激光器及高功率掺铥啁啾脉冲放大器的新途径，采用全光纤结构的啁啾脉冲放大器前端与空间光栅压缩器相结合的方式，最大限度的发挥光纤的柔性及环境稳定性等优势，通过优化系统高阶色散及非线性效应，实现高平均功率、高峰值功率、结构紧凑的2μm飞秒脉冲激光输出。此外，进一步将2μm高峰值功率飞秒光源应用于中红外超连续谱产生中，最终获得了具有高波长转换效率的中红外超连续谱激光输出。　　本论文的研究内容具体包括:　　1.被动锁模超短脉冲掺铥光纤激光器的理论及实验研究　　利用非线性薛定谔方程理论分析了激光谐振腔内的脉冲动力学过程以及不同的锁模机制。实验分别研究了基于半导体可饱和吸收镜被动锁模的全光纤结构全负色散掺铥激光器、色散管理掺铥激光器以及非线性掺铥光纤放大器。具体包括:　　1)在全负色散掺铥光纤激光器中得到了平均功率14mW，重复频率22.2MHz的皮秒脉冲输出;通过进一步缩短振荡器腔长，获得了平均功率7mW，重复频率146MHz，脉冲宽度600fs的超快孤子脉冲输出;　　2)通过在振荡器内加入2μm波长处的正常色散光纤优化腔内净色散，在色散管理掺铥激光器中得到了平均功率2mW，重复频率29.8MHz，光谱宽度27nm的色散管理耗散孤子输出。输出脉冲经过一级掺铥光纤放大器线性放大后使用普通单模光纤进行脉冲压缩，最终实现了平均功率168mW，脉冲宽度169fs，脉冲峰值功率约26kW的超短脉冲输出。　　3)研究了色散管理耗散孤子脉冲在掺铥光纤放大器中的非线性压缩过程。种子源为被动锁模色散管理掺铥光纤激光器，输出的平均功率为2mW，重复频率为12.9MHz，光谱宽度为9.5nm。输出脉冲在掺铥光纤放大器内放大过程中自相位调制诱导光谱展宽，在负色散区域实现脉冲压缩。实验中得到了脉冲能量11.6nJ，脉冲宽度285fs，脉冲峰值功率约40kW的超短脉冲输出。　　2.飞秒线偏振掺铥光纤啁啾脉冲放大器研究　　实验采用了全光纤结构被动锁模色散管理掺铥激光器种子源以及正常色散光纤展宽器，在单模双包层保偏掺铥光纤放大器中得到了239nJ的脉冲能量输出，放大脉冲的偏振消光比为19.5dB。进一步使用光栅压缩器将脉冲宽度压缩至121fs，压缩后的脉冲能量为161nJ，输出脉冲的峰值功率为1MW。　　3.高平均功率、高峰值功率飞秒掺铥光纤啁啾脉冲放大器研究　　使用飞秒掺铒光纤激光器泵浦高非线性光纤，通过光纤非线性频率转换方法产生了2μm波长的宽带拉曼孤子种子源，然后采用啁啾脉冲放大技术在大模场面积掺铥光纤放大器中得到了平均功率71W，脉冲能量2.04μJ的放大脉冲输出。放大脉冲进一步经过光栅压缩器压缩后获得了平均功率35.4W，脉冲能量1.02μJ，脉冲宽度241fs，脉冲峰值功率3MW的超快激光输出。我们同时还利用Matlab和fiberdesk软件分别对拉曼孤子产生以及掺铥光纤啁啾脉冲放大器进行了数值模拟，模拟结果与实验结果基本一致。　　4.基于2μm飞秒脉冲泵浦的中红外超连续谱光源研究　　利用研制的飞秒脉冲掺铥光纤激光光源(平均功率10W，脉冲能量1μJ，脉冲宽度252fs)，通过空间透镜耦合泵浦一段10m长的单模ZBLAN光纤，获得了最大平均功率800mW的中红外超连续谱激光输出，光谱范围为1950-3600nm，其中输出超连续谱的3dB带宽为1430nm。最大输出功率下通过对超连续光谱进行面积积分估算出光谱波长在2800nm以上的输出功率为520mW，占总输出功率的65％。