中红外(2～20μm)激光位于很多气体分子和有机分子的振转能级吸收带,即所谓的“分子指纹区”,因此中红外激光在疾病诊断、痕量气体检测、分子光谱学等领域具有重要的应用前景。另外,空间大气存在三个透明“窗口”,分别为2～2.7 μm、3～μm 和8～13μm,因此中红外激光在远程遥感、空间通讯以及军用等领域也具有重要的应用潜力。当前,可见光和近红外波段的激光技术已经发展成熟,而中红外激光特别是3 μm及以上波段的中红外激光却发展得十分缓慢。本论文围绕3 μm波段Er:ZBLAN光纤激光器,开展了Er:ZBLAN光纤激光的复杂能级跃迁以及激光辐射动力学数值研究,开发了可工作在3 μm波段的新型黑磷调Q和锁模器件,并演示了高功率3 μm脉冲激光的输出,研究工作为3 μm中红外激光技术的发展和应用奠定了基础。论文的主要工作如下:第一,基于激光速率方程和传输方程,数值模拟了Er:ZBLAN光纤在2.8 μm波长的能级跃迁和受激辐射放大过程。在计算模型中,我们引入了新发现的能量转移过程(4F9/2+4I11/2->4F7/2+4I13/2)和泵浦光受激发射过程,修正后的模型与实验结果更加吻合。在此基础上,我们进一步研究了激光上能级的泵浦光激发态吸收(4I11/2->4F7/2)和纤芯温度的上升对输出激光功率的影响,计算结果不仅跟实验结果吻合,而且很好地解释了激光输出功率饱和的原因。此外,我们还建立了Er:ZBLAN光纤在3.5 μm波长的受激辐射放大模型,从理论上验证了双波长泵浦方案产生3.5 μm中红外激光的可行性。第二,针对目前3 μm波段可饱和吸收元件稀缺这一问题,我们开发了一种可工作在3 μm波段的新型黑磷可饱和吸收镜。黑磷的带隙(0.3～2 eV)可通过改变样品的层数灵活调节,从而可适用于不同的中红外波长。我们分别通过液相剥离和机械剥离两种技术,制备了适用于中红外波段的宽带黑磷可饱和吸收镜。第三,我们利用制备的黑磷可饱和吸收镜作为光学调制器,研制了高功率2.8 μm调Q Er:ZBLAN光纤激光器,在国际上首次证实了黑磷可作为3 μm波段的可饱和吸收体。该调Q光纤激光器的最高平均输出功率高达485 mW,脉冲能量为7.7 μJ,脉宽为1.2 μs,从而使得该调Q激光器可以用作中红外拉曼光纤激光器的泵浦源,进一步拓展中红外激光的波长范围。第四,我们利用研制的黑磷可饱和吸收镜作为锁模器件,在2.8 μmEr:ZBLAN光纤激光器中实现了高功率的锁模脉冲输出。同时,我们在同一套系统中对比了黑磷可饱和吸收镜和商业化的SESAM,结果表明我们研制的黑磷可饱和吸收镜在锁模性能,如平均功率、脉冲宽度、稳定性等方面,可以和商业化的SESAM相媲美。由于当前的商业化SESAM只能工作到3 μm,而我们研制的黑磷可饱和吸收镜可覆盖更长的中红外波长,从而为3 μm以上的中红外超短脉冲产生创造了条件。总之,我们的论文从Er:ZBLAN光纤激光器的能级跃迁以及激光辐射动力学过程出发,比较系统的研究了Er:ZBLAN光纤激光器的优化设计、可饱和吸收镜的制备以及高功率3 μm波段调Q和锁模激光器的性能,研究工作为3 μm波段中红外激光的发展和应用创造了条件。