模式不稳定效应会影响高功率激光输出的光束质量, 成为高功率光纤激光器定标放大过程中获得近衍射极限光斑的主要限制因素。基于模式耦合理论建立描述模式不稳定现象的半解析模型。理论模型的计算结果表明与正向抽运结构相比, 反向抽运和双向抽运结构具有更高的模式不稳定阈值。通过实验对理论结果进行验证, 发现反向抽运光纤激光器的模式不稳定阈值至少比正向抽运结构高50%。实验中搭建反向抽运光纤激光器, 实现了2 kW窄线宽高光束质量激光输出。

基于衍射理论，建立了光束经过体布拉格光栅衍射的光束质量分析模型。在考虑入射光束参数和体布拉格光栅参数的情况下，分析任意光束经过体布拉格光栅衍射的光场分布，计算得到二阶矩意义下的束腰和光束质量M2因子，并分析了体布拉格光栅空间周期、入射光束尺寸、光谱线宽和初始入射光束质量M2对衍射光束质量的影响。研究结果表明，衍射光束质量受体布拉格光栅和入射子束共同影响：体布拉格光栅周期越小，其空间色散越严重；入射子束尺寸越大、光谱线宽越宽、初始光束质量越差，衍射后的输出光束质量劣化越明显。该模型给出了衍射后的光束质量表示，可方便快捷地得到不同输入光束衍射后的光束质量。在最高入射功率达千瓦量级时，实验测量了初始M2和光谱线宽两部分贡献对衍射光束质量的结果，并与相应理论分析进行了比较。

理论和实验研究了一种基于双多层电介质膜(MLD)光栅色散补偿构型设计的光谱合成激光器，该激光器既实现了多路光纤激光高光束质量共孔径光谱合成输出，也降低了单路光纤激光的线宽要求。优化了该激光器的光束质量退化分析模型，分析了激光波长、光栅色散和光谱结构对光谱合成输出光束质量的影响，实验研究了不同功率水平下的光谱合成输出光束质量变化特性，获得了最大输出功率为9.6 kW的高光束质量共孔径合成输出，光束质量M2为2.9，合成效率达到92.0%。通过进一步压缩每路光纤激光的线宽并提升其功率或增加合成路数，可以获得更高功率和更高光束质量水平的共孔径激光输出。

针对荧光成像仪氙灯光源寿命短, 激发能力弱的现状, 提出了运用超连续谱激光(SCL)作为荧光激发光源的生物荧光成像技术; 进行了荧光标准测试卡在两种光源激发下的荧光对比实验和不同SCL激发功率谱密度下的分析实验; 通过线性拟合和外推的方法, 对比分析了在相同曝光时间和功率下, 两种光源的荧光激发能力; 最后, 通过对荧光基团在两种光源下的平均、最大光子密度流信息进行分析, 进一步验证了实验结论: 在生物荧光成像技术中, 在相同激发功率谱密度下, 相同的曝光时间内, SCL光源所激发的荧光强度是氙灯光源的2倍, 且SCL具有更长的光源寿命和连续可调的光源参数, 可满足荧光成像研究过程中对光源参数的不同需求, 所做工作有利于解决荧光成像技术的光源瓶颈。

以GT-wave光纤为代表的泵浦增益一体化复合功能激光光纤是分布式侧面泵浦光纤技术的典型代表。GT-wave复合功能激光光纤具有良好的结构扩展性,泵浦注入路数可递增,泵浦光注入吸收和信号光增益放大都自然而均匀地实现,可有效热管理,转换效率高,稳定性好。英国SPI公司和美国IPG公司均采用此类光纤用于kW级高功率光纤激光器的研究和生产,我国相关研究单位也在逐步进入此研究领域并取得了初步进展。

使用透射型体布拉格光栅组束两束光纤激光,实现了856 W光谱组束输出.总的光谱组束效率为73.7%,组束光束的横向质量因子为7.9,纵向质量因子为2.7.研究结果显示,虽然体光栅的角色散严重影响衍射光束的光束质量,但其并不影响透射光束的光束特性.由于当前宽谱光纤激光器的输出功率远大于窄线宽输出,使用宽谱光纤激光器(光谱带宽超过4 nm)作为透射光束,能够在不降低组束效率和组束光束质量的前提下,有效提升使用体布拉格光栅进行光谱组束的总输出功率.

生物医学光子学与非线性光纤光学在早期是两门不相干的领域,但是自从基于光纤的连续光谱被发现以来,由于其具有的宽光谱可以实现多种荧光团的同时最优激发,可获取现有钛蓝宝石激光器不可产生的波长,生物医学光子学就开始尝试利用光纤连续光谱技术.但是由于超连续光谱的低相干性、高噪声、不稳定性等原因,生物医学光子学难以广泛的利用这一技术.如何基于现有的100-fs钛蓝宝石激光器产生宽带且可线性压缩的连续光谱仍旧是非线性光纤光学的重要挑战.为了产生可线性压缩的连续光谱,就必须研究光纤和激光脉冲参数对光纤连续光谱产生的影响,研究如何增强可压缩的非线性效应并抑制导致连续光谱不可压缩的非线性效应,以在光纤中产生宽带且可压缩的连续光谱.超连续谱的特性将使其在生物医学光子学,尤其是在成像方面发挥巨大的作用,因此具有重要的学术意义和实际应用价值.

采用多层介质膜衍射光栅实现多路高功率光纤激光共孔径光谱合成有望成为光纤激光同时实现高功率、高效率和高光束质量的最具发展潜力的技术途径。搭建了一套基于双光栅色散补偿设计的5 kW共孔径光谱合成系统。采用国产多层介质膜衍射光栅实现了5路kW级窄谱子束激光的高效优质共孔径光谱合成,最大输出功率达5.07 kW,光束质量因子(M2)小于3,合成效率达到91.2%。初步研究表明: 多层介质膜衍射光栅在较高功率水平、较宽光谱范围内均能保持较高衍射效率,是实现高功率光纤激光高效率光谱合成的重要器件; 参与合成的子束自身的光束质量水平和线宽是影响合成输出光束质量的重要因素,光谱合成系统的输出功率主要受限于窄谱子束的输出功率和合成路数,增加窄谱子束的功率或合成路数均可进一步提升系统的输出功率。

为获得高功率全光纤中红外超连续谱，采用自制的掺Er锁模光纤激光器作为种子源，激光经过两级放大至1.67 W，泵浦氟化物光纤，获得光谱覆盖1000~2400 nm的超连续光谱；光谱宽度随着泵浦功率的增加而展宽，当输出功率达到1.21 W时，转换效率为72%，并且产生的超连续谱被强烈的调制，在多个波长点处谱功率密度调制到0 mW/nm，但调制波长与泵浦功率无关。