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2μm波段激光在医学、环境监测、空间通信、军事等领域有重要的应用,因而成为国内外研究的热点。本文针对2μm波段稀土掺杂光纤在光纤激光器实际应用中所面临的两个科学问题,即高增益光纤的稀土掺杂浓度问题、光纤结构优化与单模传输问题,展开研究。第一步,优化设计Bi2O3-B2O3-Al2O3-Ba F2玻璃体系,研究该玻璃的物化与结构特性,分析Tm3+单掺和Ho3+/Tm3+共掺铋酸盐玻璃的辐射特性、增益特性及稀土离子的能量传递过程,优化并确定性能良好的微结构光纤纤芯和包层材料;第二步,系统地分析了MF1和MF7两类微结构光纤的波导结构参数对其模式特性、传输特性和能带特性的影响,研究并确定了适合于实际制备的铋酸盐玻璃微结构光纤波导参数;第三步,制备了Ho3+/Tm3+共掺50Bi2O3-35B2O3-10Al2O3-5Ba F2玻璃微结构光纤,并研究其2μm波段激光特性。论文的主要研究内容以及结果如下:（1）通过样品的示差扫描量热（DSC）、拉曼光谱、XRD图谱、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和折射率测试分析等,系统研究了Bi2O3-B2O3-Al2O3-Ba F2基质玻璃的物化与结构特性。研究结果表明,该体系玻璃的硼铝反常点位于35 mol%B2O3/10 mol%Al2O3,并且该系列玻璃具有较大的线性折射率和非线性折射率,较好的抗析晶性能（△T≥184℃）,其最大声子能量为1150 cm-1,玻璃网格中存在[Bi O3]、[Bi O6]、[BO3]、[BO4]、[Al O4]和[Al O6]等多种结构单元,为实现稀土离子高浓度均匀掺杂提供了结构基础。由基质玻璃的物化与结构特性研究可见,本文通过Al2O3含量的有效调控,增加了Bi2O3-B2O3-Al2O3-Ba F2系统玻璃对稀土离子的溶解度。（2）基于样品的吸收光谱和荧光光谱,分析了Tm3+单掺50Bi2O3-35B2O3-10Al2O3-5Ba F2玻璃的辐射特性和增益特性。研究结果表明,当Tm2O3掺杂浓度为8 mol%时,可获得最强的1.8μm发射,此时所制备玻璃中Tm3+浓度为2.05×1021 ions/cm3,大于目前所报道的锗酸盐(7.6×1020 ions/cm3)和硅酸盐玻璃(8.35×1020 ions/cm3)。所制备50Bi2O3-35B2O3-10Al2O3-5Ba F2-8Tm2O3玻璃中Tm3+的自发辐射几率Arad为266.58 S-1,辐射寿命τrad为3.15 ms,最大发射截面为5.29×10-21 cm2（1864 nm）,增益系数达到10.87 cm-1（1864 nm）。而Tm3+离子之间的宏观能量转移速率WET可达214.80×10-20 cm3/s,远大于Tm3+掺杂的硅酸盐玻璃,说明在该玻璃样品中可较好地实现Tm3+之间的交叉弛豫过程。（3）系统分析了Ho3+/Tm3+共掺50Bi2O3-35B2O3-10Al2O3-5Ba F2玻璃的辐射特性和增益特性。研究发现,所表征50Bi2O3-35B2O3-10Al2O3-5Ba F2-3Tm2O3-4Ho2O3玻璃中Ho3+的辐射寿命τrad为5.42 ms,发射截面为7.35×10-21 cm2（2050 nm）,其最大增益系数达到7.81 cm-1（2050 nm）,远大于常见的碲酸盐玻璃(1.05 cm-1),且该玻璃具有较大的σemi×△λeff(39.84×10-26 cm3)和σemi×τrad(16.10×10-21 cm2ms),表明所制备的Ho3+/Tm3+共掺玻璃具有良好的增益特性和增益带宽。分析了Tm3+:3F4和Ho3+:5I7能级之间的能量传递过程,其正向能量传递系数与反向能量传递系数的比值为90.44,证明了该体系玻璃中Tm3+对Ho3+具有良好的敏化作用,保证了强的2μm荧光发射。因此,Ho3+/Tm3+共掺50Bi2O3-35B2O3-10Al2O3-5Ba F2玻璃是一种性能良好的激光增益介质材料。（4）研究了MF1和MF7两种50Bi2O3-35B2O3-10Al2O3-5Ba F2玻璃微结构光纤的模式特性、传输特性与能带特性。模式理论分析发现,当孔间距Λ、占空比d/Λ和归一化波长λ/Λ完全相同时,中心抽去1个空气孔的铋酸盐玻璃微结构光纤（MF1）的归一化等效纤芯半径Reff/Λ约为抽去7个空气孔的微结构光纤（MF7）的2.3倍;基于等效纤芯半径研究得到,MF1的无截止单模运转条件为d/Λ<0.4,而MF7无截止单模运转的临界d/Λ则远小于0.1,因此实际制备无截止单模MF7难度较大。传输特性研究发现,当占空比d/Λ为0.35、工作波长为2000 nm、孔间距Λ大于12μm时,MF1的限制损耗小于10-5 d B/m,可实际应用。此外,还研究了MF1的色散特性,当MF1的d/Λ固定为0.35时,随着Λ的增加,MF1的峰值负色散系数逐渐减小,同时峰值位置逐渐红移。由此可见,MF1具有灵活的色散特性,有望应用于色散位移光纤。进一步研究发现,该微结构光纤的能带仅与占空比d/Λ相关,且不存在完全光子禁带,因此,所设计的微结构光纤为完全的全内反射型光纤。基于上述研究和分析,本文选取MF1作为基本结构模型,开展Ho3+/Tm3+共掺50Bi2O3-35B2O3-10Al2O3-5Ba F2玻璃微结构光纤预制棒的搭建与光纤制备。（5）研究了Ho3+/Tm3+共掺微结构光纤的制备工艺与激光特性。基于对玻璃材料和微结构光纤理论特性的分析,制备了具有3层空气孔、孔间距12μm、占空比0.35、纤芯直径15.2±0.2μm、端面直径125±0.5μm的Ho3+/Tm3+共掺50Bi2O3-35B2O3-10Al2O3-5Ba F2玻璃微结构光纤,在790 nm激光二极管泵浦下,获得了中心波长2112nm,最大输出功率236 m W的激光输出,其激光斜率效率为12.2%,光束质量因子为1.35。