基于主振荡功率放大器结构的高功率掺Tm3+光纤激光器是2 μm波段高功率光纤激光器的主要实现形式, 掺Tm3+光纤放大器(Thulium-doped fiber amplifier,TDFA)热效应管理的研究对于其输出激光功率的不断提升具有重要意义。本文主要对TDFA热效应管理的泵浦方式优化方面进行理论研究, 利用龙格库塔法以及牛顿迭代法求解不同泵浦方式下TDFA的稳态速率方程, 并根据热传导方程, 模拟掺Tm3+光纤(Thulium-doped fiber,TDF)温度沿径向和轴向的分布。结合遗传算法理论, 研究了分段泵浦方式, 经过参数优化, 在功率为5 W 的2 020 nm输入信号光、总功率为1 000 W的793 nm激光泵浦、TDF吸收系数为3.1 dB/m条件下, 将总长度为11 m的TDF分为2.4, 2, 2, 2, 2.6 m的5段进行泵浦, 得到放大信号激光输出功率为284.5 W、斜率效率为28.45%、光纤外包层边界最高温度为86.28 ℃且温度总体分布均匀。与传统前向泵浦、双端泵浦方式下的TDFA相比, 其热效应有明显改善。

为了进一步提升光纤激光器的输出功率, 采用大模场面积掺铥光纤来抑制非线性效应, 利用非均匀布喇格掺铥光纤结构, 通过优化参量, 在满足单模传输条件下获得模场面积为719μm2的大模场面积光纤。基于此光纤建立了793nm波长抽运下大模场掺铥光纤放大器理论模型。由于大模场面积光纤能降低光功率密度, 抑制Stokes光功率, 因此该种光纤放大器在高抽运功率下相比普通单模光纤放大器能够得到更大的输出功率。结果表明, 当抽运光功率为100W时, 所设计大模场面积光纤与普通单模光纤相比, 转换效率提高5%, 达到40%, 输出功率达到41.01W。以上研究对于实际掺铥光纤放大器的设计有重要应用价值。

近年来随着对单频光纤激光器和放大器研究的不断深入，得到了越来越高的输出功率，由于单频光纤激光器、放大器的输出功率在很大程度上受限于受激布里渊散射(SBS)效应，故需要研究SBS 效应的影响因素和抑制方法。利用铥离子(Tm3+)的速率方程和SBS 效应下双包层光纤放大器的速率方程，建立了单频光纤放大器的理论模型，计算得到了掺铥光纤放大器的能量分布和输出功率，并讨论了光纤长度、抽运功率、Tm3+掺杂浓度、增益光纤内温度分布等因素对单频光纤放大器中SBS 效应和输出功率的影响，总结了在提高放大器输出功率的同时有效抑制SBS 效应的方法。自行搭建了全光纤掺铥光纤种子光源及放大器，高稳定性的全光纤掺铥激光种子光的中心波长为1941 nm，信噪比约为60 dB。当掺铥放大器的抽运功率达到2.15 W 时，激光的输出功率可以达到0.766 W。

从掺铥光纤放大器的速率方程组和光传输方程出发，引入光场与掺杂分布的重叠因子，利用数值法分别模拟计算了光纤掺杂浓度、长度和抽运功率等参数对放大器增益的影响，并计算了一定掺杂浓度和抽运功率下的最佳光纤长度及其对应的增益，分析了该类放大器增益随输入信号功率的变化关系，并计算了其功率转换效率。

介绍了用于WDM系统的S-波段光纤放大器的两种实现方案:掺铥光纤放大器和拉曼光纤放大器.并对其原理、特点、性能、研究现状及存在的难点进行了详细的论述和分析.