工作在2μm的高功率光纤激光在激光通信、人眼安全激光雷达、环境监测、生物医疗、材料加工等领域具有广泛的应用前景,同时也是一种产生3-5mm中红外激光输出的理想光源,因而成为国际上的研究热点。然而与1mm高功率掺镱光纤激光的发展水平相比,工作在2μm的掺铥、掺钬光纤激光面临着半导体激光器泵浦源发展缓慢、光纤器件不成熟、激光器效率低下导致热负荷严重等问题,其单模激光最高输出功率比1mm波段低一个量级以上。因此,如何突破当前技术瓶颈进一步提升2μm光纤激光器输出功率,成为该领域的研究重点。本文围绕一种有望实现2μm光纤激光输出功率进一步提升的技术——光纤激光级联泵浦,在掺铥、掺钬光纤激光器中进行了相关理论和实验研究。分析了2μm高功率光纤激光的发展历程,得到的主要启发是:适合应用于2μm光纤激光器的多模半导体激光器发展缓慢,其输出亮度远低于适用于1mm光纤激光器的多模半导体激光器输出亮度,难以为光纤激光器提供充足的泵浦亮度;高功率半导体激光器的工作波长选择有限,其作为泵浦源时2μm光纤激光器量子亏损高,从而导致激光器效率低、高功率运行时热负荷严重等问题,限制了现阶段2μm光纤激光器的输出功率。而光纤激光级联泵浦技术具有泵浦亮度高、量子亏损小等优势,若应用于2μm掺铥、掺钬光纤激光器,有望解决当前半导体泵浦的技术瓶颈,实现输出功率的进一步提升。开展了2μm光纤激光级联泵浦技术相关的理论研究。建立了掺铥光纤激光器速率方程,研究了不同泵浦波长时,增益光纤长度、纤芯包层比对激光效率的影响。利用光纤激光极限功率模型,分析掺铥、掺钬光纤激光器各泵浦方案的功率提升潜力,通过仿真得到当前泵浦源和光纤制备水平下各泵浦方案的极限功率,并以极限功率作为泵浦方案的评价指标选择最优泵浦方案。对于掺铥光纤激光,最优泵浦方案为1900 nm光纤激光级联泵浦方案,但在实际应用中,需对增益光纤进行特殊设计以实现泵浦光的充分吸收;对于掺钬光纤激光,1150 nm和1950 nm光纤激光级联泵浦方案的极限功率相差不大,1950 nm级联泵浦方案更具有发展潜力,但需要着力解决掺钬光纤的损耗问题。开展了基于光纤激光级联泵浦技术的连续掺钬光纤激光器的实验研究。首先自行搭建了中心波长为1150 nm、最高输出功率为～700 W的拉曼光纤激光器。利用光纤激光级联泵浦技术泵浦亮度高的优势,使用1150 nm高功率光纤激光器作为泵浦源,将大模场面积掺钬光纤作为增益介质,搭建连续掺钬光纤激光器,实现中心波长为2050 nm、输出功率>100 W量级连续掺钬光纤激光输出,激光器的斜率效率约为24%,这是目前国际上报道的使用1150 nm泵浦源和普通大模场面积掺钬光纤实现的最高输出功率。基于光纤激光级联泵浦技术,开展了脉冲掺铥光纤放大器的实验研究。首先使用黑磷纳米薄片作为可饱和吸收体,搭建了2μm锁模光纤激光器,该锁模光纤激光器能够实现20天以上的自启动运行,且输出特性未发生明显变化,脉冲信号具有良好的信噪比。然后使用2μm锁模光纤激光器作为种子源,1.94mm连续掺铥光纤激光器作为泵浦源,利用光纤激光级联泵浦技术量子亏损小、热负荷低的优势,搭建空间耦合的高平均功率、高效率掺铥光纤放大器,实现了平均功率为40 W的脉冲激光输出,输出脉冲宽度和重复频率分别为129 ps和248 MHz。该脉冲掺铥放大器的斜率效率为87%,为目前国际上报道的最高斜率效率脉冲掺铥光纤激光输出。探索了光纤激光级联泵浦技术在特殊波长激光产生方面的应用,并开展了相应的实验研究。为实现>2.1mm高功率激光输出,解决长波长处发射截面小、缺少高亮度泵浦源等问题,提出了三种基于光纤激光级联泵浦的技术方案:(1)利用高掺锗光纤的拉曼增益,使用自行搭建的1.94mm高功率脉冲掺铥光纤激光器作为泵浦源,搭建随机分布式反馈光纤激光器,实现中心波长为2119 nm的激光输出,这是工作在2.1mm波段的随机分布式反馈光纤激光器的首次报道;(2)使用工作在1173 nm的高功率随机分布式反馈光纤激光器作为泵浦源来提高长波长处的净增益,搭建长波长掺铥光纤激光器,能够有效抑制常规波段处的ASE和自激振荡,实现输出功率超过18 W、中心波长为2153 nm的激光输出,可将793 nm半导体激光器泵浦时长波长掺铥光纤激光器的最高输出功率提高8倍;(3)使用1.15mm百瓦量级光纤激光器作为泵浦源,首次采用复合腔结构搭建高功率双波长掺钬光纤激光器,中心波长为2049 nm和2153 nm,最高输出功率约为22.3 W,通过调节注入泵浦功率可以改变双波长功率比。