眼安全的2μm波段掺Tm光纤激光器在激光雷达、远程探测、医学和作为OPO光学参量振荡器的泵浦源实现3～5μm激光输出等方面具有重要应用。本文分别从理论和实验方面对掺Tm光纤激光器的输出特性进行了研究。理论工作主要集中在研究增益开关掺Tm光纤激光器的输出特性方面。本文首次对增益开关型掺Tm光纤激光器的稳定输出特性进行了系统的理论研究,利用1.56μm的Er、Yb共掺光纤激光器泵浦掺Tm光纤激光器,建立了数值模型,描述了增益开关激光器的输出峰值功率、脉冲宽度等随泵浦光的重复频率、泵浦的功率水平、激光输出镜透过率、光纤纤芯面积、光纤长度、掺杂浓度等的变化规律。同时对增益开关掺Tm光纤激光器进行了实验研究,并将实验结果与数值模拟结果进行对比,取得了较好的一致性,说明该模型对于稳定的增益开关型掺Tm光纤激光器的设计及其输出参数的优化具有重要意义。实验工作是本论文的主体。除了对增益开关激光技术的实验研究,我们还对掺Tm光纤激光器连续波自由运转特性、窄线宽可调谐输出特性、双波长可调谐输出特性、以及掺Tm光纤激光器在共振泵浦激光技术中的应用等多方面进行了实验研究。在自由运转连续波输出方面,利用792nm的高功率半导体激光器作为泵浦源,对掺Tm光纤激光器进行双端泵浦,获得了最高177W的2μm激光输出,相比目前国内已报导的最好功率水平提高了一个数量级,且斜效率高达61.3%,约为斯托克斯极限效率的1.5倍。分析了光纤纤芯掺杂浓度对掺Tm光纤激光器输出特性的影响,比较了单端与双端输出的实验结果。在窄线宽可调谐掺Tm光纤激光输出方面,利用体布拉格光栅(VBG)作为波长选择和光谱窄化元件,在279瓦的入纤泵浦功率水平下,产生了119 W近衍射极限的激光输出,并实现了大于50nm(1943 - 1998 nm)范围的波长调谐,光谱线宽~ 10 pm。作为比较,进一步研究了以宽带介质膜高反镜代替VBG做为外腔反射元件的激光运行情况,在两种激光装置下,激光在振荡阈值、功率水平及斜率效率方面均无明显差别,说明VBG在窄化激光线宽的同时,只带来极小的插入损耗,保证了激光器的高效率运行。此外,在进一步的实验中,我们首次把双VBG窄化技术应用于掺Tm光纤激光器,获得了2.2pm的窄线宽激光输出,功率达到113W,这是目前应用体布拉格光栅技术所实现的最窄光谱线宽、最高功率水平的掺Tm光纤激光振荡器。另外,本文首次实现了掺Tm光纤激光器双波长可调谐输出。创新性的提出了一套实验方案,利用两个体布拉格光栅(VBG)作为谐振腔端面反射元件,实现了掺Tm光纤激光器稳定的双波长同时起振,输出激光为连续波,两个VBG控制的波长可独立分别进行调谐。实验实现了两波长间距Δλ从1nm到50nm连续可调,相应于频率间隔0.1 THz到3.8THz。该激光器系统获得的最大输出功率达到118W,相应的斜效率为45%。所提出的双波长实验方案同样适用于固体激光器和其他的光纤激光器。这种能够同时产生双波长输出的、结构紧凑、调谐简单的激光器在激光光谱学、医学、激光雷达及差频太赫兹产生方面极具应用前景。最后,本文在掺Tm光纤激光器的应用方面也做了部分研究工作。用光纤激光泵浦体块介质固体激光器的混合激光器技术,结合了光纤激光器优秀的散热能力与体块增益介质的储能优势,有望实现高功率(高能量)、高效率、高光束质量的激光器系统。这一方面的研究工作国内并不多见。我们在已建立的掺Tm光纤激光器的基础上,对混合泵浦技术进行了研究,用1.94μm的掺Tm光纤激光器泵浦Ho:YLF固体激光器,在2066 nm波长处获得5.3 W的激光输出,斜率效率高达70%。并利用光纤激光宽调谐的优点,研究了不同泵浦波长对Ho:YLF输出特性的影响。