中红外波段光纤激光器在国防、通讯和医药等领域具有广泛应用，引起了人们的极大兴趣。基于空芯光纤的光纤气体激光器的出现为中红外波段光纤激光器的发展提供了一种新的途径。在这里，我们首次报道了基于一氧化碳气体填充的中红外波段光纤气体激光器。利用2.3μm波段单频Tm掺杂光纤放大器作为泵浦源，在一氧化碳光纤气体激光器中实现了4645 ~ 4824 nm的激光发射，最大输出功率约为5mW。据我们所知，这是目前空芯光纤气体激光器中实现的最大波长输出。此外，使用覆盖更多吸收线的2.3 μm光纤激光器可以获得更长的波长输出(5μm)和更大的调谐范围(~500nm)。

本工作通过实验研究了种子激光器光谱特性对大功率光纤放大器模式不稳定阈值的影响。在高功率光纤放大器中，采用了不同类型的种子激光器，包括多纵模光纤振荡器、（滤波）超荧光光纤光源、相位调制单频激光器。光纤放大器的模式不稳定阈值是通过信号激光器强度演变的归一化标准偏差的突然增加来表征的。实验结果表明，种子激光器类型对光纤放大器的模式不稳定阈值有显著影响。具体而言，采用宽带宽的超荧光光纤源作为种子激光器的光纤放大器的模式不稳定阈值比采用光纤振荡器或相位调制单频激光器作为种子激光器的模式不稳定阈值高两倍以上。我们进一步优化了相位调制单频激光器的光谱特性，并测量了光纤放大器对应的模式不稳定阈值。光谱优化后，光纤放大器的模式不稳定阈值提高了一定比例，这表明光谱优化对采用相位调制单频激光器作为种子激光器的光纤放大器模式不稳定阈值的提高有效果。

半导体泵浦惰性气体激光具有发展成为高光束质量和高能输出的激光器的潜力。相较于广泛报道的亚稳态氩体系来说，惰性气体氪原子在理论上展现出了更高的量子效率、低的激发能量和多波长输出的潜力。本工作主要针对半导体泵浦亚稳态氪激光器体系开展了研究，首先在脉冲直流放电的体系下取得了1013 cm-3的亚稳态氪原子，随后在纵向泵浦的结构，实现了亚稳态氪激光器的出光，最后对该体系的动力学进行了探究分析。

光纤光栅因其诸多优势被广泛应用于传感、通信和激光等领域。飞秒激光直写技术具有刻写参数灵活、光纤无需敏化等优点，已逐渐成为制备光纤光栅的主要手段。本课题组基于空间光场调控技术，实现了对飞秒激光调制区域纵向尺寸的精确控制，有效解决了传统飞秒激光直写方法难以在大芯径光纤上制备光纤布拉格光栅（FBG）的困境。基于该方法，本课题组在大模场双包层无源光纤内实现了精准覆盖纤芯的逐面刻写FBG，且制备过程中无需剥除涂覆层。此外，该方法一步引入的大面积均匀折射率调制区域为飞秒激光在其他基材上制备功能型器件提供了新思路。

高功率高光束质量的窄线宽光纤激光在光束合成、非线性频率变换等领域具有重要应用需求，近年来成为光纤激光领域的研究热点。利用窄线宽光纤振荡器种子一级放大（即MOPA结构）是一种结构简单、成本低和鲁棒性高的实现高功率窄线宽激光的技术方案。但由于光纤中高的功率光谱密度和少纵模激光种子，这种窄线宽光纤激光器除了需要抑制受激布里渊散射效应，同时要抑制比常规的宽谱激光器更强的受激拉曼散射效应，因而功率提升的难度更大。本文采用腔外反馈的方法，通过提升种子的时域特性，综合抑制激光放大器中受激布里渊散射、受激拉曼散射效应的同时保持激光的窄线宽输出，大幅提高了这种简单MOPA结构窄线宽激光放大器的输出功率。最终实现6 kW近单模窄线宽激光输出，光谱3dB线宽0.63nm，20dB线宽2.nm，信号与拉曼噪声比为28dB，光束质量为1.4。这项工作是利用简单MOPA结构获得近单模窄线宽激光的最高输出纪录。同时，利用外部反馈提升种子时域特性为光纤激光放大器中抑制非线性效应提供一种新的思路，对光纤激光器的发展有重要意义。

高功率窄线宽光纤激光器在光谱合成和非线性频率转换等方面具有重要应用需求，但在短波段（≤1050 nm）的功率提升严重受限于放大自发辐射和非线性效应。近期，基于主振荡功率放大结构，实现了大于2 kW的高功率高效率1050 nm窄谱光纤激光输出。种子采用自研的窄线宽振荡器，输出功率~43 W。放大级采用976 nm 稳波长LD进行后向泵浦，增益光纤长度~12 m。在泵浦功率为2568 W时实现了最大输出功率2387 W的激光输出，光光效率~91.3%。输出激光的3dB线宽为149 pm，拉曼抑制比大于36 dB，光束质量因子M2~1.3。后续将通过优化种子的时序和放大级的光纤长度进一步提升输出功率。

凭借着稳定紧凑、性能优良、高电光效率、低维护成本、高光束质量等优势，高功率光纤激光器在能源勘探、智能制造、国防安全等领域有重要应用。随着大模场光纤制造工艺以及泵浦源亮度的提升，光纤激光器的性能水平已经取得了长足进步。目前，光纤激光器单纤输出功率已达万瓦量级。然而，进一步的功率提升受到非线性效应、热致模式不稳定等因素的限制。非线性效应会限制激光器功率提升。。采用大模场面积光纤可降低光纤纤芯内激光功率密度，进而抑制非线性效应，但模场面积的增大又会使得光纤支持模式成分增多，从而降低模式不稳定阈值。因此对大芯径光纤中的模式进行调控是在确保高的非线性阈值的前提下提升模式不稳定阈值有效手段。 本文将通过实验和理论分析阐述一些在大纤芯光纤中实现模式调控的有效手段。首先，我们利用自制的30/600 μm光纤高反光栅，以及30/600 μm（30/250 μm）光纤低反光栅搭建了全光纤振荡器，采用982 nm双锁波长泵浦源对30/600 μm增益光纤进行泵浦。我们分别就后向泵浦合束器放在振荡器的腔内腔外进行了探究性实验。通过实验结果的对比，我们发现泵浦合束器的位置会对振荡器的模式不稳定阈值产生一定的影响，后向模式不稳定阈值由4.6 kW提升为5.5 kW。通过理论分析，后向泵浦信号合束器在制作过程中引入的模式耦合效应，有助于提升振荡器的模式不稳定阈值。此外本文还探究了掺镱光纤弯曲半径对于光纤振荡器模式不稳定阈值的影响，实验结果表明将输出端的盘绕半径由26 cm降低为19 cm，能够有效提升模式不稳定阈值，最终实现了后向泵浦结构振荡器6.4 kW的功率输出，最高功率下光束质量M2因子为2.8，激光器的光光转化效率约为77%。本文通过实验和理论分析提出了一些提升大模场全光纤模式不稳定阈值的有效手段，为促进高功率光纤振荡器发展和功率提升提供了重要的借鉴和参考价值。

目前，在实现高功率光纤激光的若干方案中，基于光纤功率合束器的功率合成方案因其结构简单、成本低廉、运行稳定等优点，占据着不可替代的位置。而光纤激光在不同领域的应用，则要求光纤激光不仅需要高功率输出，其高光束质量也十分重要。因此，如何在合束后保持高光束质量是功率合束方向亟待解决的问题之一。本文利用仿真软件建立了光纤功率合束器的3D模型，对影响其光束质量的因素进行了仿真，并根据仿真结果进行了实验研究，利用光纤腐蚀技术制备了输出光纤为50/400μm（NA=0.12）的4×1光纤功率合束器，采用4台光纤激光器对其进行合束测试，测试结果显示：在总输入功率为12.5kW的情况下，合束后输出功率为12.03kW，整体传输效率大于96%，光束质量M2≈4.0。

利用飞秒激光直接在掺镱光纤（YDF）中刻写光纤光栅（FBG）并形成激光输出，可以减少光纤激光系统中的熔点，有效提升系统的鲁棒性。本研究发现，当中心波长为515nm的飞秒激光照射在YDF中且强度达到一定阈值时，会在1μm波段产生荧光，荧光光谱与Yb3+离子的发射谱相似。此外，产生荧光的飞秒激光阈值远低于形成光栅所需的强度阈值，利用这一性质，可以辅助判断飞秒激光聚焦在纤芯之中。实验中还发现随着飞秒激光辐照时间的增大，1μm附近的荧光强度逐渐减弱，这可能与YDF中Yb3+的转化有关。

高功率光纤激光器在材料加工、高端制造、国防安全等领域具有重要的应用价值。光纤光栅（FBG）在高功率光纤激光器中具有重要应用。本文使用飞秒激光相位掩模板法在30/600μm双包层大模场光纤上刻写了一个高反腔镜用FBG，在同一根30/250μm双包层大模场光纤上刻写了低反腔镜用FBG与CTFBG。腔镜用FBG的中心波长为1080nm，高反和低反FBG的3dB带宽分别为4nm和2.6nm。CTFBG的中心波长为1135nm，10dB带宽约为15nm。基于飞秒刻写的腔镜用FBG和CTFBG实现了9kW的全光纤振荡器并且SRS得到有效抑制，这是目前报道的最高功率的全光纤振荡器。本文验证了飞秒激光刻写的FBG具有优异性能，对推动高功率FBG的研制和高功率光纤激光技术的发展具有重要意义。