具有回音壁模式(WGM)的光学微球腔可以把光的能量限制在极小的体积内较长的时间而几乎没有损耗,因此兼有极高的品质因子和极小的模式体积。这一性质很大程度地增强了微球腔的光场与物质的相互作用,使得微球腔在非线性光学、量子光学等基础物理研究领域,以及低阈值激光器等应用物理研究领域有着广泛的应用。本论文研究了Yb3+掺杂光学微球腔的发光性质。本文采用了一种在操作上更加灵活、简便的方法来制备稀土离子掺杂的二氧化硅微球腔,代以通常的把稀土离子掺杂的块状玻璃材料加工成微球的方法,我们采用了溶胶-凝胶法,即把无掺杂的二氧化硅微球腔当作基体结构,而微球腔表层的增益功能薄膜则是通过浸涂法在微球腔表面涂覆稀土离子掺杂的溶胶-凝胶薄膜。光纤锥是微球腔的理想耦合器件,耦合效率高达99%,它既可把泵浦激光耦合进微球腔又可把激发产生的光耦合出微球腔,这方便操作和测量。本文首先研究了掺Yb3+二氧化硅微球腔的合作上转换发光特性,在976 nm激光泵浦作用下,在掺Yb3+二氧化硅微球中获得了强烈的合作上转换蓝色荧光,该蓝色荧光由Yb3+-Yb3+离子对的合作发光产生,且具有20 am的蓝移及明显的饱和现象。我们对蓝移及饱和现象分别作了解释。第二,研究了掺Yb3+二氧化硅微球腔的下转换发光特性,在976 nm激光泵浦作用下,在掺Yb3+二氧化硅微球中获得了极低阈值的下转换激光。第三,研究了掺Yb3+二.氧化硅微球腔的非线性效应：在976 nm激光泵浦作用下,在掺yb3+二氧化硅微球中获得了多达三级的自激发级联拉曼激光。这是由于掺Yb3+二氧化硅微球产生的下转换激光振荡足够强,达到了微球二氧化硅基质产生受激拉曼散射激光的阈值,进一步激发微球的二氧化硅基质产生的级联拉曼激光。第三级自激发拉曼激光的波段接近低损耗光纤通信的O波段,因此,具有成为O波段激光器和放大器的潜在应用。另一方面,本文研究了Yb3+-Eu3+共掺二氧化硅微球腔的发光特性。首先研究了Yb3+-Eu3+共掺二氧化硅微球腔的合作能量传递上转换现象,在Yb3+-Eu3+共掺二氧化硅微球中,在976 nm激光泵浦作用下产生了Yb3+-Yb3+离子对的合作上转换蓝色荧光及Eu3+的黄色荧光。其物理机制是由于Yb3+-Yb3+离子对把合作发光产生的能量传递给Eu3+的4f层电子,使Eu3+被激发进而产生黄色的上转换荧光。在Yb3+-Eu3+共掺二氧化硅微球中也观察到了自激发级联拉曼激光。