光纤激光器具有结构相对简单、光束质量好、效率高、热管理方便、能耗低等明显优势,已成为包括光谱学、工业制造、生物医疗、非线性光学以及国防安全等多个领域不可或缺的工具。近年来,一种新型的有异于常规光纤激光器谐振腔结构的随机光纤激光器引起了学术界的广泛关注。随机光纤激光器无需常规光纤激光器中界限明确的谐振腔,从而降低了对腔体设计的要求,具备结构更加简单、可靠性更高、设计更加灵活等突出优点。近些年的研究表明,随机光纤激光器在高功率、高效率激光输出、多波长激光输出及特殊波段激光输出及相关应用方面已展现出其独特的优势。然而,作为一个尚未成熟的新研究课题,基于随机光纤激光器的输出特性及物理内涵的研究还有待完善,随机光纤激光器的性能的提升及结构的优化还存在很大空间,而基于随机光纤激光器的潜在应用拓展也尚处于摸索阶段。在国家自然科学基金重点项目及重大项目子课题的支持下,本团队在随机光纤激光器领域开展了多年的研究,关于短腔随机光纤激光器的研究成果被美国光学学会评选为2014年度重要光学进展,开拓了高功率随机光纤激光器的研究方向。本论文以基于瑞利散射反馈的随机光纤激光器为研究主体,针对新型随机光纤激光器的设计、输出特性及应用拓展开展了一系列研究工作。利用混合增益概念实现多种新型随机光纤激光器,实现了多个波段的高性能随机激光器。针对级联拉曼随机光纤激光器,提出了多种紧凑型低成本高性能级联拉曼随机光纤激光器方案。对随机光纤激光器的光谱输出强度特性进行了统计分析。在光纤随机激光的应用方面,利用随机光纤激光器时域强度波动的随机性,将随机光纤激光器应用于时域鬼成像系统中的光源;利用随机光纤激光器的结构简单、输出功率高及输出波长设计灵活的特点,将随机光纤激光器应用于高阶拉曼放大系统的泵浦源。本论文的成果进一步完善了随机光纤激光器的研究体系。本论文的主要研究工作如下:(1)介绍了随机光纤激光器的发展及理论模型,并在此基础上提出了一种利用掺镱光纤同时提供掺镱增益及瑞利反馈的的弱掺镱随机光纤激光器理论模型,仿真结果表明通过优化掺镱浓度,可以实现基于百米级掺镱光纤的低阈值高效率随机光纤激光器,为1μm波段随机光纤激光器的设计提供了新思路。(2)利用混合增益概念和腔体设计优化,充分发挥不同光纤波导中增益的特点,设计并实现了多种高性能混合增益新型随机光纤激光器。采用后向泵浦掺铒-拉曼随机光纤激光器实现了1.5μm波段低阈值、高效率随机光纤激光器,通过理论模型仿真对腔体设计进行优化,实验实现了在2W泵浦功率下65.5%的光光转化效率,为目前1.5μm波段报道的随机激光最高光光转化效率。设计新型共腔式掺镱-拉曼随机光纤激光器,可以先后实现掺镱光纤随机激光和掺镱-拉曼光纤随机激光的激射,为1μm波段高效率随机光纤激光器的设计提供了结构更简单的平台。设计并实现了半开腔掺镱-布里渊随机光纤激光器,首次实现了1μm波段多波长布里渊光纤随机激光,为多波长随机光纤激光器的工作波段拓展提供了新的思路。(3)设计并实现了多种新型级联拉曼随机光纤激光器。利用掺镱光纤激光器(即拉曼随机激光泵浦源)中的泵浦合束器信号端连接宽带点式反射镜的方式,为多级拉曼光纤随机激光构建新型前向泵浦结构,避免了之前报道方案中多个能承受高功率的特殊波段光纤光栅或波分复用器的使用,为级联拉曼光纤激光器的设计和实用化提供了新的解决方案。进一步的,设计了基于放大的自发辐射光源泵浦的无光纤光栅或波分复用器结构的新型级联拉曼随机光纤激光器,其输出的级联拉曼随机激光具有更佳的时域稳定性。针对级联多波长拉曼随机光纤激光器的设计,通过在光纤环反射镜中插入一段多模光纤构建基于多模干涉点式反馈的级联多波长拉曼随机激光器,具有工作波段广、构建简单、设计灵活和成本低等优势。(4)在随机光纤激光器输出特性实验研究方面,针对偏振泵浦拉曼随机光纤激光器输出的偏振相关特性,探索了通过在光纤环反射镜中调控斯托克斯光偏振态的方式实现对随机激光内调制的可能性,首次实现了基于偏振调控的随机光纤激光器。针对拉曼随机光纤激光器输出光谱强度特性,实验测试了拉曼随机光纤激光器在不同激射状态下的光谱强度统计特性,证实了基于拉曼增益和光纤瑞利散射弱反馈的随机激光其光谱强度统计特性同样存在阈值前的高斯分布到阈值附近的莱维分布再到远超阈值后的高斯分布的转变。(5)对随机光纤激光器的应用拓展进行相关探索。对掺镱随机光纤激光器时域输出信号的定量分析表明,随机光纤激光器的输出时域强度波动具有很好的随机性,可以充当时域鬼成像的理想光源,基于随机光纤激光器的时域鬼成像信号质量及准确性均优于基于常规有腔掺镱光纤激光器光源的结果。在高阶拉曼放大系统方面,级联拉曼随机光纤激光器可以为1.2μm波段高功率光源提供有效的解决方案,采用高功率1280 nm拉曼随机光纤激光器作为三阶拉曼放大系统泵浦源,实验首次实现了基于三阶拉曼放大的准无损传输系统,100 km光纤链路上信号光的功率波动仅为1 dB,是目前实验报道的最好无损传输效果。