光纤随机激光器作为一种新型的光纤激光器,近十多年来受到广泛的关注与研究。作为对传统随机激光器的延续发展,光纤随机激光器将一维光纤结构中的多重散射效应作为有效的光学反馈机制,配合非线性增益,在不需要传统谐振腔的结构中产生独特的随机激光现象。从最早光子晶体光纤中填充混有纳米散射颗粒的激光染料形成的光纤随机激光,到随机分布的光纤光栅结构构成的相干反馈光纤随机激光,再到基于传统商用标准单模光纤中分布式瑞利散射构成的分布反馈式光纤随机激光,光纤随机激光器的发展经历了从相干反馈到非相干反馈,从强无序散射结构到弱无序结构的过程,并最终在非相干反馈光纤随机激光器领域发展壮大,带动了诸如高功率/高效率、窄线宽、宽谱可调谐光纤随机激光器的丰富发展,并在光纤传感、超长距离光纤通信等领域得以应用。光纤随机激光器的发展也从起初光谱、功率特性的研究,逐渐拓展到偏振态、新波长、时域特性、非线性机制、多模特性的研究。纵观光纤随机激光器的发展历史,绝大多数的研究工作集中在连续光运转和单横模激发的前提下,这是因为受限于光纤随机激光器中随机散射形成的开放结构,很难基于传统谐振腔机理产生脉冲型随机激光,以及受制于常用的单模光纤作为激射载体,虽然降低了激射阈值但也阻碍了对多模特性的分析和研究。因而,目前对于更复杂的光纤随机激光脉冲产生、多横模激发等研究尚属起步阶段,仍有大量基础问题亟待解决和丰富发展。本论文紧跟光纤随机激光器发展的前沿动态,聚焦于对光纤随机激光模式调控特性的研究,从纵模的波长、时域脉冲、谱宽特性,以及横模的低空间相干性特性多个角度入手,研究分析模式调控的新机理,并以无散斑成像照明为切入点重点研究多横模光纤随机激光器的应用。本论文的主要研究内容总结如下:(1)研究了相干反馈机制下有源光纤随机激光器的模式调控特性,从激射波长的稳定,到激射波长的选择,以及产生时域脉冲等角度对光纤随机激光的输出特性进行调控。相干反馈机制的有源光纤随机激光器基于空间随机分布的光纤光栅阵列提供随机谐振反馈,因而具有产生随机激射所需光纤长度短、阈值低、结构紧凑、存在丰富的随机谐振等特点,也正因为如此,该类型光纤随机激光器由于强烈的模式竞争效应以输出波长随时间强烈变化为典型特点,因而对该类型光纤随机激光器的模式调控具有重要科学意义。我们首次提出通过引入外部控制光照射在随机分布光纤光栅阵列上引入局部增益微扰,在特定的控制光注入位置激光器的输出表现为稳定单峰的随机激光激射,并通过改变注入光的位置有效调节激射波长,为稳定和调控相干反馈光纤随机激光器的运行提供了新思路。此外,利用相干反馈光纤随机激光器存在的丰富的谐振特性,通过引入基于石墨烯的可饱和吸收体,首次实现了该类型光纤随机激光器的调Q锁模脉冲产生,通过分析谐振频率发现了局域模式与全局模式共振的运转机理,为脉冲型光纤随机激光的产生以及时域模式特性的规整提供了新思路。(2)开展了基于光纤随机激光泵浦的超连续谱产生的研究。基于瑞利散射反馈机制的光纤随机激光器具有得天独厚的开放结构,不依赖于波长选择器件,具有超宽谱的有效反馈,为了充分发掘该开放结构激射过程的带宽特性,我们引入非线性光纤,结合调制不稳定等非线性效应,采用光纤随机激光激发超连续谱过程,通过泵浦功率的改变可以有效调控输出带宽。光纤随机激光作为泵浦源与超连续谱激发的桥梁,可以将位于正常色散区的激光转换为超连续谱,并充分利用全开放结构的优势,获得全谱段、平坦的超连续谱。此外,通过增强分布式瑞利散射效应和有效降低开放结构激射阈值,我们首次在后向传输方向获得了超连续谱产生,通过时域动态特性分析,发现后向超连续谱具有较低的时域相对强度波动,可以用来实现具有低噪声的宽谱光源。(3)将光纤随机激光的研究拓展到多横模的维度,重点研究了多模光纤随机激光器的散斑效应及其在无散斑成像照明领域的应用。传统单模或少模光纤的使用限制了对光纤随机激光多横模特性的研究,此外基于大芯径多模光纤激射的高阈值特性也阻碍了多模光纤随机激光器的发展。我们将单模光纤随机激光结构与超大芯径阶跃折射率多模光纤结合,获得了具有极低空间相干性的多模光纤随机激光。研究表明,多模光纤随机激光除具有满足无散斑成像照明要求的低空间相干性,更得益于其激射过程带来的高光谱密度而优于传统多模非相干光源。为了满足光学相干断层扫描等成像系统对宽谱光源的需求,我们也研究了超连续谱在多模光纤中的退相干特性,并与此同时揭示了光谱宽度、光纤芯径、光纤长度对降低空间相干性的贡献,为获得高效的退相干效果提供指导。传统光纤随机激光器最大的优势是结构简单以及易于高功率/高效率输出,我们研究了大功率多模光纤随机激光的散斑特性,基于主振荡功率放大器结构获得了约56 W的高功率多模光纤随机激光,并揭示了功率增加可以激发有效横模,从而进一步降低空间相干性的现象。(4)基于上述关于多模随机激光无散斑成像的实验研究,为了解释散斑对比度对多模光纤输出光场变化的依赖关系以及激光功率增加带来的空间相干性降低这些实验现象,深入理解多模光纤中模式数、模式功率分配等对散斑形成的影响,我们回归多模光纤的模式分析本源开展了理论研究。通过理论计算大芯径阶跃折射率多模光纤支持的横模电场分布,根据光纤模式分解和组成的原理,给每一阶横模施加特定的模式系数,从而调控整体的模式组成,灵活地研究模式数、不同阶数模式对最终模场形成的影响。并通过引入随机相位调制,模拟散斑形成的过程,通过对散斑图样散斑对比度的分析,研究不同模式组成对多模光纤输出空间相干性的影响。结果表明不同阶数模式对散斑形成的贡献是不一致的,低阶模式对应的散斑对比度明显小于高阶模式,因而整体模式的散斑对比度最低值出现在低阶模式功率占优但整体模式之间功率相对均匀的条件。这一工作对设计、优化、调控多模光纤输出端的空间相干性提供了理论指导。