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光纤激光器由于其结构紧凑、转换效率高、光束质量好、热管理方便等优势,已在国防军事、工业加工以及生物医疗等领域广泛应用。不同的应用需求对激光器的输出功率、输出波长以及输出线宽提出了不同的要求。其中,波长位于1100nm～1200 nm波段的大功率、窄线宽长波光纤激光在诸多领域具有强烈的应用需求,例如高功率、窄线宽1178 nm光纤激光在钠激光导引星中有重要应用,窄线宽1120nm激光器通过倍频得到的黄橙光在流式细胞术、激光光凝、显微成像以及光阱冷却等应用中发挥重要作用。按照增益来源分类,目前实现1100 nm～1200 nm波段长波光纤激光输出的方式主要有三种:(1)基于实能级跃迁的掺镱光纤激光器,由于镱离子能级结构决定了其在实现长波光纤激光时会面临严重的增益竞争,随着输出功率的提升会面临放大自发辐射和自激振荡的双重限制,最终导致功率提升受限;(2)基于非线性效应的拉曼光纤激光器,在该技术方案中,为了提供足够的拉曼增益,激光器所需的增益光纤通常达百米以上,在向高功率、窄线宽发展时,受激布里渊散射和高阶拉曼会严重限制其功率提升;(3)综合利用镱离子增益和拉曼增益的混合增益光纤激光器。该技术方案的功率提升潜力已在宽谱激光中得到验证,然而,其向高功率、窄线宽激光发展仍然面临严峻技术挑战,主要体现在:混合增益光纤放大器需采用前向泵浦方式实现拉曼泵浦光的放大和转换。在前向泵浦方式中,已有结果表明当拉曼增益参与放大过程,输出激光会出现明显的光谱展宽,无法获得大功率、窄线宽长波光纤激光输出。本文在总结和对比已有技术方案的基础上,选取大功率窄线宽混合增益光纤放大器为研究对象,综合考虑镱离子增益和拉曼增益共同作用下放大器泵浦方式、种子特性等因素对输出激光时频特性的影响,系统研究该技术方案中光谱展宽的物理机制,论证采用混合增益光纤放大器实现大功率、窄线宽长波光纤激光输出的可行性和基本条件,旨在通过物理机理分析,提出实现大功率、窄线宽长波光纤激光的有效技术方案,进而设计合理的实验结构完成实验验证,具体内容安排如下:1、对基于纯拉曼增益的单频光纤放大器的输出特性和线宽演化机理进行了详细的理论和实验研究,论证了不同泵浦方式和泵浦时域对输出激光功率、光谱线宽和时域特性的影响,指出在前向泵浦方式下基于纯拉曼增益实现线宽保持和功率放大的可行性和必要条件。首先搭建1120 nm单频拉曼光纤放大器平台,研究泵浦方式和泵浦时域对激光器输出特性的影响。实验结果表明:采用时域不稳定的泵浦源,后向泵浦方式可实现线宽保持的功率放大,且泵浦激光时域起伏对输出功率、效率无影响;而在前向泵浦方式下,输出激光出现明显的光谱展宽,且泵浦激光时域起伏越强,输出功率、效率越高。此外,输出激光的光谱展宽程度与泵浦激光时域起伏呈正相关,即泵浦激光时域起伏越小,光谱展宽程度越小。因此,在前向泵浦方式中,若想实现线宽的保持,泵浦光必须采用时频稳定的光纤激光器。基于上述思想,以1120 nm单频拉曼光纤放大器为载体,通过时域稳定的窄线宽光纤激光器泵浦单频拉曼光纤放大器,在实验上首次实现了前向泵浦的单频拉曼光纤放大器,论证了在拉曼增益参与下采用时域稳定泵浦技术,通过前向泵浦仍可实现线宽的有效保持。2、对大功率窄线宽混合增益光纤放大器的增益动力学特性和输出特性开展了详细的理论研究,阐明了同时采用镱离子增益和拉曼增益实现功率提升和线宽保持的可行性:(1)详细分析了混合增益光纤放大器中拉曼泵浦光的噪声传递特性,进而阐述了拉曼泵浦光时域特性对放大器线宽演化的影响。研究结果表明:在混合增益光纤放大器中,拉曼泵浦光的噪声传递类似全通滤波器,强的时域起伏会完全传递到输出信号光,进而引起线宽展宽。因此,时域稳定的拉曼泵浦光是混合增益光纤放大器实现大功率、窄线宽输出的必要条件之一;(2)分别以976 nm激光和1018nm激光作为不同初始泵浦光,分析了混合增益光纤放大器中初始泵浦光的噪声传递特性及其对输出激光线宽的影响。研究结果表明:对于常规的976 nm泵浦,输出激光线宽对初始泵浦光的时频噪声不敏感;然而,对于1018 nm泵浦,初始泵浦光时频噪声会传递到输出信号光,进而导致输出激光光谱出现明显展宽;(3)理论对比分析了大功率窄线宽混合增益光纤放大器和后向泵浦窄线宽拉曼光纤放大器的SBS阈值特性和二阶Stokes光阈值特性,阐明了窄线宽混合增益拉曼光纤放大器的功率提升潜力。3、对大功率窄线宽混合增益光纤放大器开展了详细的实验研究,首次实现了千瓦级以上窄线宽长波光纤激光输出,证实了采用混合增益光纤放大器实现大功率、窄线宽长波光纤激光的可行性。首先搭建了百瓦级窄线宽混合增益光纤放大器,实验研究了种子功率配比、种子总功率和增益光纤长度对激光器输出特性的影响,实现了线宽不展宽的百瓦级功率输出。随后,以百瓦级窄线宽混合增益光纤放大器作为种子源,搭建了千瓦级窄线宽混合增益光纤放大器,实验研究了种子功率配比、种子总功率以及种子激光中放大自发辐射对激光器输出特性的影响,最后实现了近衍射极限的千瓦级、窄线宽长波光纤激光输出。