为了实现高平坦的自发辐射输出, 提出并设计了一种基于974nm泵浦源和高掺杂浓度掺铒光纤的平坦宽带光源。系统以泵浦波长974nm的激光二极管作为泵浦源, 先将泵浦光分为两路对掺铒光纤分级泵浦, 再将铒离子产生的自发辐射光合并输出, 并调节铒纤长度和泵浦功率对输出光谱进行优化。仿真结果表明: 泵浦功率为160mW, 两段掺铒光纤长度分别为7m和2m时, 可以在1530～1610nm得到带宽为80nm, 功率为20.348mW, 平坦度为±1.268dB的光谱输出。该系统在不额外增加滤波器且光纤总长小于10m的前提下, 实现平坦宽带输出, 有望在光纤传感系统中得到应用。

提出了一种实现全光纤中红外激光器脉冲运转的方法。利用氟化物玻璃中镝离子(Dy ³⁺)的2.8 μm波段的吸收截面与铒离子(Er ³⁺)发射截面重合的特性,将掺镝氟化物光纤作为中红外波段的可饱和吸收体,实现2.8 μm掺铒氟化物光纤激光器全光纤结构的被动调Q脉冲运转;通过在可饱和吸收体两端引入中心波长为3.1 μm的光纤光栅,解决Dy ³⁺上能级寿命较长所导致的高泵浦功率下Dy ³⁺吸收饱和、进而导致被动调Q失效的问题。基于该结构建立了2.8 μm被动调Q掺铒光纤激光器的速率方程模型,计算了可饱和吸收体的参数及其两端的谐振腔反馈条件对2.8 μm激光器的脉冲运转功率和时间特性的影响。计算结果表明,通过在可饱和吸收体两端引入光纤光栅可以加快可饱和吸收体的恢复过程,使激光器能够在高泵浦功率下保持调Q脉冲运转。

对基于磁致折变效应的掺铒光纤磁场传感器的温度特性进行了理论分析和实验测量。理论上，基于密度泛函理论(Density Functional Theory，DFT)研究了温度对掺铒光纤磁致折变效应的影响，结果表明，温度升高会增大掺铒石英材料的原子磁矩，从而增强其磁致折变效应。实验上，基于磁致折变效应，以掺铒光纤作为Mach-Zehnder光纤干涉仪的传感臂，研制了磁场传感器，结果表明，干涉波谷的谐振波长随温度的升高发生红移，传感器的磁场灵敏度随之增加，16.7 ℃和43.5 ℃温度下传感器的灵敏度分别为12.63 pm/mT和25.53 pm/mT，温度变化会影响磁场的测量精度。

根据动态粒子数光栅形成机理,设计了一种线性双波混频结构的光纤系统。系统中,1490 nm波长分布式反馈(DFB)激光器光源发出的连续激光,通过环形器进入一根3 m长掺铒光纤作为注入光,被与掺铒光纤另一端光学耦合的压电振动镜反射后形成反射光。掺铒光纤中注入光与后向传播的反射光干涉形成驻波场,通过空间烧孔效应沿光纤纵向形成动态粒子数光栅。压电振动镜对反射光波进行相位调制时,环形器反射端口输出的双波混频(TWM)信号可视作输出光波的强度调制。实验中通过此双波混频系统对压电换能器产生的机械振动进行检测,结果表明:光纤双波混频检测系统具有良好的动态响应特性,能够测量50 Hz~10 kHz 的振动信号,采集到的输出信号频率与压电驱动信号频率很好地吻合。

光纤链路中高精度光学频率传递对光钟比对有重要意义, 双向掺铒光纤放大器(EDFA)有助于在长距离光学频率传递中对信号进行损耗补偿和高精度传输。基于铒粒子受激放大的基本原理, 设计了可用于光纤光学频率传递链路中的低噪声、高增益双向EDFA, 并对其参数进行了仿真优化。实验结果表明, 该双向EDFA的噪声指数为3.86 dB, 增益为20.14 dB, 引入的相位噪声在频率为1 Hz处仅为0.1 rad2/Hz。将该双向EDFA作为放大补偿器件应用于200 km光纤光学频率传递链路中, 获得了3.8×10-16/s的秒级频率稳定度及2.8×10-19/(104 s)的万秒级频率稳定度, 在频率信号传递和光钟比对领域有着广阔的应用前景。

本文通过对常见的双级双程双泵浦光源进行实验研究, 分析了两级掺铒光纤的长度以及两级泵浦的功率对光源输出光谱的功率大小、平坦度和平均波长的影响。根据实验分析结果, 当EDF1和EDF2的长度分别为9 m和38 m, 一级泵浦功率为65 mW, 二级泵浦功率为115 mW时, 光源输出功率为16.89 mW, 平均波长为1 566.389 nm, 1 536 nm-1 605 nm波段范围内光谱的不平坦度<±2 dB。

为了使全光纤结构啁啾脉冲放大实现超短激光的脉冲输出，采用色散补偿光纤对种子脉冲进行了展宽，利用普通单模光纤来实现放大后脉冲的压缩。对整体激光系统进行了理论分析和实验验证，获得了420fs的超短激光脉冲，平均功率达到1.81W。并利用周期极化的铌酸锂晶体对放大激光脉冲进行倍频，将激光波长拓展到近红外的780nm附近，光谱半峰全宽达到11nm。结果表明，在全光纤结构的掺铒光纤激光系统中，可以通过改变色散光纤的插入量对脉冲展宽和压缩过程中光谱畸变进行有效的控制。这一结果对于实现高功率的全光纤超短脉冲放大系统是有帮助的。

研究了双程后向结构掺铒光纤光源的平均波长对泵浦功率的依赖性。实验结果表明，通过采用掺铒光纤滤波器以及选择合适的泵浦功率，平均波长随泵浦功率的变化能够降低到-9 ppm/mW。在-40~+60 ℃温度范围内，光纤光源的平均波长不稳定性小于33 ppm(峰峰值)。采用5 m长的掺铒光纤、泵浦功率55 mW与泵浦波长974.2 nm时，光纤光源输出光波的谱宽达到17 nm，功率达5.83 mW。

对常见的单级、双级以及三级结构的C+L 波段掺铒光纤ASE光源进行实验研究, 对比它们的性能并分析各自的优缺点。结果表明, 单级和双级结构的C+L 波段掺铒光纤ASE光源C波段和L波段光谱很难实现最佳匹配, 导致平坦度不理想。虽然三级双泵浦结构光源结构较前两种较复杂, 但通过优化光源参数可以使输出光谱具有更好的平坦度, 从而更好地满足分布式光纤光栅传感系统、长距离光纤通信系统、光纤陀螺以及光谱测试等应用场合的要求。