目前,利用掺杂光纤是实现光纤激光器的一种主要手段,但由于掺杂实芯光纤的损伤阈值较低,再加上各种竞争性非线性效应的存在,掺杂实芯光纤激光器难以同时获得高功率和窄线宽输出,使得其在具体应用中受到限制。气体受激拉曼散射被证明是一种实现非线性频率变换的有效手段,能够同时产生高峰值功率和窄线宽的激光输出,但是气体腔内的气体SRS通常受限于激光与气体的相互作用强度。空芯光纤的出现,大大提高了泵浦激光与气体的相互作用强度,使得基于空芯光纤的气体拉曼激光器在实现高效率频率转换等方面优势巨大。针对此,本文主要进行了基于反共振空芯光纤的气体SRS的理论和实验研究,具体如下:1、开展了基于空芯光纤的SRS理论研究。研究了反共振空芯光纤的导光机理,对比实芯光纤分析方法,讨论了用传统模式理论来解释空芯光纤导光机理时存在的困难;介绍了包括反共振反射光学波导(ARROW)模型在内的几个模型;对空芯光纤中气体受激拉曼散射进行相关理论研究,其中主要包括拉曼增益系数、瞬态和稳态拉曼散射过程;参考激光速率方程模型建立了泵浦激光和Stokes光的耦合波方程。2、开展了单程高平均功率1.5μm空芯光纤甲烷拉曼激光实验研究,通过优化实验光路结构、空芯光纤长度和甲烷气压,实现了从1064 nm泵浦光到1544 nm振动Stokes光的有效转换,最高输出平均功率为0.83 W,光-光转换效率约为45%,对应的量子效率为65%,受激拉曼阈值能量仅约为5μJ。实验得到的高功率1.5μm激光输出可以当作下一级拉曼效应的泵浦源,通过级联拉曼效应获得高功率中红外激光输出。3、开展了高平均功率2μm空芯光纤氢气拉曼激光器实验研究,实现了从1064nm泵浦光到1909 nm振动Stokes光的有效转换,得到最大输出平均功率570 mW,对应量子效率为51%。实验得到的高功率1.9μm激光输出可以当作下一级拉曼效应的泵浦源,通过级联拉曼效应获得高功率中红外激光输出。4、开展了空芯光纤中气体级联拉曼实验,实现了从1μm泵浦光到3μm附近Stokes光的长距离频率转换,为高功率中红外激光输出提供了一种有效方法。其中甲烷-甲烷级联拉曼实验可以分为两级,在第一级,我们使用高峰值功率的1064.6 nm激光器作为泵浦源,获得了1543.9 nm一阶斯托克斯光输出,量子转换效率为87%,在第二级,我们使用第一级获得的1543.9 nm的斯托克斯光作为泵浦源,将其耦合进另一根充入甲烷的空芯光纤内,实现了2.8μm二阶斯托克斯光输出,量子转换效率为75%。实验中从1064 nm泵浦源到2809 nm二阶斯托克斯光的总量子效率为65%。而通过将甲烷-甲烷级联拉曼实验中第一级空芯光纤内的气体从甲烷换成氘气,我们得到了氘气-甲烷级联拉曼实验系统,在4 bar氘气气压下,第一级量子转换效率为44%,而第二级的量子转换效率为77%,实验中从1064nm泵浦源到2866 nm二阶斯托克斯光的总量子效率为34%。