外腔可调谐半导体激光器在光纤传感、冷原子物理和激光雷达等领域有着广泛的应用前景。为了得到大的无跳模调谐范围, 需要对激光器的腔长、光栅参数、各个元件的几何位置以及转动点的位置进行严格的设计。通过构建 Littman型可调谐激光源无跳模纵向允许误差范围的数学模型, 深入分析了转轴点到压电陶瓷电机运动轴线的距离、转轴点到闪耀光栅衍射点的距离、光栅安装角度和光栅刻线密度对无跳模纵向允许误差范围的影响。分析结果表明, 合理选择各个参数可有效避免激光输出光束的跳模。

结合光纤干涉环原理和受激布里渊散射效应数值求解描述双包层掺镱光纤激光器的速率方程，得到构建光纤干涉环的耦合器耦合率及泵浦功率与输出脉冲重频的关系；进一步采用掺镱双包层光纤激光器中光子数守恒的半数值模型得到耦合器耦合率、泵浦功率与输出平均功率、脉冲能量的关系。实验测试了不同泵浦功率对输出平均功率和脉冲能量的影响，实验结果与仿真结果吻合。研究表明：提高泵浦功率只能提高脉冲重复频率和平均功率，并不能提高脉冲能量；选择合适耦合率的耦合器构建光纤干涉环才能获得较高脉冲能量；泵浦功率较高时会激发二阶斯托克斯光脉冲。

提出了利用啁啾光纤布拉格光栅(FBG)和马赫增德尔调制器产生三角形光脉冲的优化方案。方案采用FBG模拟单模光纤的色散特性，结合光载波抑制调制产生了三角形光脉冲, 并通过仿真分析，选择FBG的长度、调制深度、适当的折射率切趾函数对三角形光脉冲的线性特征进行了优化。仿真结果表明，在同一啁啾系数下，产生的三角形光脉冲的失真程度随啁啾光纤光栅的调制深度增大而增大，光栅长度、折射率切趾函数对三角形光脉冲的影响也比较明显。与现有系统相比，由于将FBG引入系统，省去长距离的光纤，优化方案系统结构更为简单，三角形光脉冲线性特征更好。

基于热极化光纤设计了电调谐光纤布拉格光栅。通过光纤热极化二维载流子模型分析了热极化致内建电场的形成。结合紫外光在热极化光纤二阶非线性周期性擦除以及在光纤光栅制作中的作用, 设计了周期性极化的布拉格光纤光栅。研究结果表明, 利用非线性擦除区域与非线性区域电致折射率改变的不同, 调节光栅的折射率差, 可以实现电调谐光纤光栅。针对电调谐光纤光栅, 研究了一定电压下初始折射率差、光栅长度对反射率的影响。文中结论对于光纤光栅在全光纤器件方面的应用具有重要参考价值。

采用平面波展开法和时域有限差分法, 对GaAs二维正方晶格光子晶体的色散特性和带隙结构进行了数值模拟研究, 并对GaAs二维光子晶体线缺陷构成的T型波导分支器的微波传输特性进行了模拟和优化。数值模拟结果表明, 光子晶体填充比对带隙结构有显著地影响。通过在拐角处插入额外的电介质棒对GaAs二维正方光子晶体T型波导分支器进行优化, 数值模拟的结果表明, 优化的GaAs二维正方光子晶体T型波导分支器在一阶带隙范围内透射系数将提高到0.96以上。

基于非线性偏振旋转锁模原理、非线性薛定谔方程和色散波干涉理论, 建立了被动锁模光纤激光器的光谱分析模型。采用此模型进行数值仿真, 研究了腔体长度、增益光纤长度和耦合输出比对光谱边带的影响。并分别采用13 m、16 m和26 m的腔长, 0.5 m, 1.5 m和3 m的掺铒光纤以及不同的耦合输出比进行了实验, 对比了上述情况下激光器的输出光谱。实验与仿真结果表明, 要抑制光谱边带, 应尽量缩短腔长, 适当增加增益光纤的长度和采用较低的耦合输出比, 并保证激光器处在基阶锁模状态。理论模型的仿真结果与实验现象吻合较好。取3 m增益光纤、13 m腔长和10%的输出比, 获得了光谱边带抑制较好、谱宽20.4 nm的锁模脉冲激光, 重复频率为15.87 MHz, 单脉冲能量约0.52 nJ, 脉冲幅值和光谱谱宽分别存在约4%和2%的波动。

锁模光纤激光器能够产生超短脉冲,在众多领域中有着广泛的应用前景。概述了光纤激光器锁模实现技术的基本原理、典型结构和最新研究进展,分析了主动锁模、被动锁模和混合锁模技术的优缺点,并对多波长锁模、拉伸脉冲锁模和基于光子晶体的锁模光纤激光器的最新研究情况进行了介绍和分析。展望了锁模光纤激光器研究的发展方向和急需解决的问题。

基于环形腔被动锁模光纤激光器的基本原理，对影响其输出特性的关键因素——耦合输出比(R)作了理论和实验研究。理论仿真结果表明，要得到高质量的脉冲，激光器腔内增益与耦合输出比存在一最佳比值，小信号增益为7.5 dB时，耦合输出比应在30%左右。实验中取3 m长的增益光纤，分别采用5%，10%～40%和60%～90%的耦合输出比搭建环形腔被动锁模光纤激光器。实验结果对比分析表明，耦合输出比对激光器的输出特性有重要影响，R取5%～10%间时脉冲谱宽最宽(可达25.4 nm)且谱宽调谐范围较大(>12 nm)，R=10%和30%时脉冲波动幅度最小，R=70%左右时单脉冲能量最大(达3.86 nJ)。另外，取R=30%，可在脉冲幅值波动较小的基础上获得最大的脉冲能量; 而R=10%时为保证脉冲波动小、谱宽宽和能量大的平衡点。取3 m长的增益光纤和R=10%的激光器，获得了重复频率15.87 MHz，谱宽25.4 nm，单脉冲能量约0.52 nJ的脉冲激光，这些特性不会受到工作台振动、激光器搬动及普通温度变化等因素的影响，脉冲幅值存在约4%的波动。

超宽带(UWB)无线通信的关键技术之一是UWB窄脉冲产生技术。为简化光子超宽带脉冲源的设计, 提出采用基于光纤可饱和吸收体效应的环形腔被动锁模光纤激光器来设计光子UWB脉冲源。为了获得满足UWB室内无线通信频谱范围的脉冲, 利用色散和啁啾效应展宽脉宽的原理, 在激光器环形腔内使用较长的增益光纤引入大量色散效应, 将光脉冲展宽以符合美国通信委员会(FCC)规定的室内UWB通信频谱范围(3.1～10.6 GHz)。并根据光纤激光器谐波锁模的原理, 通过控制偏振态调制输出脉冲的周期以提高脉冲重复频率。实验中, 展宽的光脉冲经光电转换器转换成UWB电脉冲序列后, 由宽带数字示波器进行波形观测和测量。通过调节偏振控制器, 获得了可输出8种不同脉冲重复频率的光子超宽带脉冲源。