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稀土掺杂光子晶体光纤(PCF)在高功率高亮度光纤激光器和放大器方面的应用是目前激光研究领域的热点之一。而磷酸盐玻璃的稀土离子溶解度高、受激发射截面大、非线性系数低，是制备高增益系数光纤的理想介质。从物理上来讲，结合PCF与磷酸盐玻璃的特点，增益光纤同时获得较大的单模模场和很高的增益系数，这对高亮度单频光纤激光器极为重要。稀土掺杂磷酸盐玻璃PCF这一潜在应用引导了本论文研究课题的提出。本论文从磷酸盐PCF的制备工艺、激光性能、光纤结构对激光性能的影响等方面展开，研究内容和取得的成果如下:
一.磷酸盐PCF的制备工艺。首先，选用N31磷酸盐激光玻璃作为PCF的基质材料。用高质量石英管作为旋转夹具，避免了金属夹具带来的污染。提出类似玻璃连熔退火法使磷酸盐玻璃管和石英管脱离，成功制备污染少、几何尺寸规则、低成本的磷酸盐玻璃管。通过拉丝，制备了光学质量良好、结构规则的毛细管。其次，以具有内六角金属套筒作为模具，分步排列毛细管和玻璃细棒，形成光子晶体包层、芯和外保护层，极大简化毛细管和玻璃细棒排列工艺，排列更准确更便捷。软化点附近温度烧结并退火得到PCF预制棒。最后，实验研究拉丝温度、预制棒内空气孔气压对PCF结构的影响。提出在一定温度场条件下密封PCF预制棒能有效控制拉丝过程中的结构塌陷，制备了结构完整磷酸盐PCF。
二.磷酸盐双包层光纤激光性能。熔制热学性能、折射率匹配的无掺杂的磷酸盐玻璃作为包层，管棒法制备磷酸盐双包层光纤。采用空间耦合泵浦，在多模光纤和单模光纤中分别获得2.87W和1.42W稳定的激光输出，斜率效率分别达到44.7％和34.1％，证实了N31磷酸盐光纤具有优异的激光性能。空间耦合条件下，提出用液滴密封光纤耦合端与反射镜接触点，提高泵浦光耦合效率和谐振腔质量，以改善激光的稳定性、功率和效率。
三.磷酸盐PCF的激光性能研究。首先，以N31磷酸盐激光玻璃为基质，制备了大芯径PCF。从芯径为20μm的PCF获得8.5mW的单模激光输出。分析认为较高的传输损耗(11dB/m)、较低的泵浦光耦合效率、耦合端热效应是激光性能主要的限制因素。其次，通过熔制折射率匹配的无掺杂磷酸盐玻璃作为PCF内包层以减少Nd掺杂引起的包层吸收、引入双包层结构增加泵浦光耦合效率、全固态光子晶体包层结构改善PCF激光器性能。设计并制备磷酸盐全固态PCF，传输损耗降低到2.1dB/m。泵浦空间耦合条件下，泵浦光耦合系数达到90％，激光功率达到7.92W，斜率效率为38.1％。实验证实了全固态光子晶体包层对光纤模式的影响与传统PCF类似，理论分析了芯层折射率与包层折射率匹配程度对光纤模式的影响。认为稀土掺杂全固态PCF不仅保持了传统PCF模场特性，并在功率性能和制备工艺方面有较大改善。
四.磷酸盐多芯光纤的制备及性能研究。结合管棒法和堆叠法制备了结构完整的稀土掺杂磷酸盐多芯光纤。在七芯光纤中，实现60mW的激光输出，由于归一化纤芯直径和纤芯间距较大，输出激光中有非锁相模和混合模存在。改进制备方法，制备了归一化纤芯直径更小的三芯光纤和双芯光纤，实验观察到稳定的自锁相干涉光斑。干涉光斑的不均匀分布表明激光模式由多芯光纤的超模相干叠加组成。分析了磷酸盐双芯光纤作为非线性开关，用在磷酸盐全光纤锁模激光器中的优势。