相比于传统固体激光器,光纤激光器因其激光效率高、易于热管理、光束质量好、结构紧凑、不易受外部环境影响等优势,近年来已经成为国际研究热点,并得到了飞速发展。工作在人眼安全波段范围内的掺铥光纤激光器在国防军事、航天航空、生物医疗、材料加工等领域有着广泛的应用前景,同时也是中红外超连续谱光源、光参量振荡器、掺钬光纤激光器的良好泵源。然而,与国外相比,国内高功率掺铥光纤激光器的发展相对较慢,且掺铥光纤长期依赖于进口,因此有必要对掺铥光纤的关键参数进行深入研究,实现能够代替进口产品的高性能掺铥石英光纤,从而进一步实现稳定运行的高功率掺铥光纤激光器。本论文首先介绍了改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂法的光纤预制棒制备方法和光纤拉丝工艺,并分析了高掺杂浓度、高吸收系数的掺铥光纤制备的关键参数。基于上述光纤制备技术,研制了纤芯/包层尺寸分别为10/125和25/400双包层掺铥石英光纤,并进行了一系列测试表征,结果表明二者的激光性能均达到国际商用水平。基于自主研发的25/400大模场掺铥石英光纤,搭建了530 W高功率全光纤结构的窄线宽掺铥光纤放大器系统。其中窄线宽掺铥光纤振荡器采用直腔结构,最大输出激光功率为91 W,对应斜率效率为49%,3d B线宽为76 pm。通过对关键熔点的优化和对掺铥光纤热管理的改进,放大级采用双端泵浦方式,实现了最高功率为530 W的激光输出,对应的斜率效率为50%,输出激光的中心波长为1980.89 nm。该结果是目前国内2μm波段光纤激光器所实现的最高输出功率,也验证了国产掺铥石英光纤在高功率系统运转的可靠性。基于自主研发的10/125高掺杂掺铥石英光纤,采用半导体可饱和吸收体和非线性放大环形镜混合锁模方式,搭建了全光纤结构皮秒掺铥光纤激光器。通过偏振控制器改变腔内偏振态,该皮秒掺铥光纤激光器可工作在稳定的孤子状态下,并能够实现自启动,对应最大单脉冲能量为0.94 n J,中心波长为1918.3 nm。为了满足多种波长应用需求,在激光腔内加入一段高非线性光纤引入双折射滤波效应,并对高非线性光纤长度进行了优化,实现了1908~1952 nm范围内波长可调谐。采用2 m 10/125掺铥光纤作为放大级增益介质,对该可调谐掺铥光纤激光器进行放大,在1928 nm处,其斜率效率达到最大值33.7%。高功率掺铥光纤激光器中光子暗化效应是限制其功率提升和稳定运行的主要物理效应,本文最后从表征和抑制方面对其展开了研究和分析。搭建了快速暗化和测量集成平台,建立了不同可见光波长下附加损耗与暗化时间呈拉伸指数变化的关系。首次验证了氘气对暗化掺铥光纤的漂白作用,在室温下,经过7天载氘处理,可见光波段处的附加损耗被漂白了88%;进一步地,还验证了经过载氘预处理的掺铥光纤将获得部分抗暗化能力。首次给出了外部热源对暗化掺铥光纤的完全漂白过程,当温度达到250℃时,暗化掺铥光纤中的附加损耗开始减小,在温度达到550℃时光子暗化效应导致的附加损耗被完全消除。结合理论与实验,验证了掺铥光纤中上转换过程产生的蓝光或紫外光是诱导色心产生的重要因素,并研究分析了基于色心缺陷愈合理论的光子暗化漂白机理。