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光纤激光器因其具有光电转换效率高、结构简单、光束质量高、散热性能好、易于实现全光纤化等优点,已成为国际研究的热点。研究趋势旨在实现高功率、短脉冲、窄线宽、中红外等。目前,随着2μm波段光纤器件的日益成熟,使得此波段全光纤化高功率掺铥光纤激光器及其在2μm-5μm中红外非线性应用成为国际研究热点。2μm掺铥波段激光处于人眼安全波段及大气窗口,可被应用于生物医学、大气遥感、聚合物非金属材料加工等;此外,由于掺铥光纤的石英基质材料,容易实现高功率脉冲输出,可作为中红外超连续谱光源、光参量振荡器、中红外拉曼光纤激光器、THz波产生的良好泵浦源。2μm掺铥光纤激光器近年来发展迅速,连续波输出已达千瓦,皮秒脉冲输出已达百瓦,飞秒啁啾脉冲放大也已实现百瓦输出,但单脉冲能量均不高;对于单脉冲能量较高的纳秒脉冲,报道的最高输出平均功率仅为几十瓦,且难以实现全光纤化。本文围绕纳秒量级脉冲掺铥光纤激光器及其应用展开研究,首先研究了高功率激光全光纤化的关键技术——模场适配技术;其次,通过增益开关技术、主动调Q技术及半导体可饱和吸收体被动锁模技术实现了不同纳秒量级2μm脉冲掺铥激光输出,并将三者进行功率放大,比较其优缺点,最后应用于中红外超连续谱的产生。主要创新性研究内容如下:1.理论分析了高功率激光全光纤化的关键技术——模场适配技术,分析了不同热扩散(Thermally expanded core,TEC)光纤过渡区长度及半径、锥形光纤过渡区长度及锥腰半径对耦合效率的影响。采用渐变折射率光纤及玻璃丝作为光纤透镜,理论研究了常规石英光纤与小芯径光子晶体光纤(Photonic crystal fiber,PCF)的低损耗耦合,并加以实验研究。实验中实现了普通单模光纤与PCF(模场直径~3.9μm@1060 nm)最低0.26 d B的损耗,大芯径双包层光纤(模场直径~18.7μm@1060 nm)与PCF最低0.50 d B的损耗。2.为实现增益开关脉冲掺铥光纤激光输出,搭建了基于1551 nm调制半导体激光器的铒镱共掺光纤放大器(Er/Yb co-doped fiber amplifier,EYDFA)系统。提出采用带隙位于1030-1140 nm之间的全固光子带隙光纤抑制Yb波段因较高放大的自发辐射(Amplified Spontaneous Emission,ASE)产生自激振荡对放大系统造成的危害。并将其泵浦高非线性光纤,实现了1100 nm-1700 nm平坦超连续谱光源。3.利用脉冲输出1551 nm EYDFA作为泵浦源,抽运掺铥光纤,实现了增益开关2μm掺铥激光输出,实验实现了信号脉冲重复频率为泵浦脉冲重复频率1/4、1/3、1/2及1倍的变化,同时观察到了自锁模脉冲输出。之后选取稳定的增益开关脉冲,通过三级功率放大将其平均功率放大至115 W,单脉冲能量为1.15 m J,为国际报道基于增益开关脉冲掺铥光纤激光放大的最高输出功率;同时也实验验证了自锁模脉冲包络并不适合高功率放大。4.利用2μm波段光纤耦合声光调制器(Acoustic optical modulator,AOM),实现了全光纤化大调谐范围主动调Q脉冲掺铥激光输出,重复频率调谐范围为1 k Hz-2 MHz,相应的脉宽可调谐范围为1.16μs-46.3 ns。之后通过三级功率放大系统对其进行功率放大,最终实现了平均功率~110 W、重复频率可调谐范围100 k Hz-2 MHz、脉宽2.9μs-51.1 ns的脉冲掺铥激光输出,为国际报道的全光纤化调Q掺铥光纤激光器最高输出功率水平。5.利用透射式半导体可饱和吸收体作为锁模器件,采用长腔结构实现了稳定的纳秒量级锁模脉冲掺铥激光输出,腔内无其他偏振控制器件,具有良好的自启动及稳定性能。之后对其进行功率放大,实现了69.5 W、光谱范围覆盖1950 nm-2500 nm的拉曼超连续谱光源,进而将其泵浦ZBLAN光纤,实现了5.23 W、光谱范围覆盖1950nm-3600 nm的中红外超连续谱光源。