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近年来，2μm波段的中红外激光在医疗、军事、遥感探测、环保和通讯等方面具有广阔的应用前景和重要的应用价值，引起了科研人员的广泛关注。常用的2μm波段发光稀土离子主要有Ho3+（2.1μm）与Tm3+（1.8μm）离子。目前用于实现2μm激光输出的激光玻璃材料有石英玻璃，硅酸盐玻璃，碲酸盐玻璃，锗酸盐玻璃，硫系玻璃，氟化物玻璃和氟磷酸盐玻璃。石英玻璃具有物理化学性能好、抗损伤阈值高、易于加工以及制造工艺成熟等优点，因此成为了光纤激光器的首选激光基质材料。本论文研究目的是探索适用于实现2μm激光输出的Tm3+或Ho3+掺杂石英玻璃，获得2μm发光性能优良的石英玻璃及光纤。通过引入氧化镧或氧化钇的方式改善高掺杂情况下稀土离子的分散性，同时研究氧化镧或氧化钇对石英玻璃结构和2μm发光稀土离子光谱性能的影响。 本论文共包括六个部分。 论文第一章为文献综述部分，首先介绍了稀土掺杂固体材料的结构与光学光谱的理论基础，继而讨论了2μm激光稀土掺杂玻璃基质材料研究现状，从而提出本文研究内容及思路。 论文第二章主要介绍了溶胶凝胶结合粉末烧结法制备稀土掺杂石英玻璃的方法、物理化学性质测试、结构成分测试及光谱理论计算和分析方法等。 论文第三章介绍了不同Tm3+浓度的Tm3+/Al3+掺杂石英玻璃的光谱性质以及Tm3+/Al3+掺杂双包层石英光纤的激光性能。用溶胶凝胶结合粉末烧结法制备了不同Tm3+浓度的Tm3+/Al3+共掺石英玻璃。Tm3+离子的浓度可达到4.26×1020cm-3。计算并讨论了其J-O强度参数、吸收截面与受激发射截面、品质因数(FOM)等。通过讨论1800 nm(3F4→3H6)与1460 nm(3H4→3F4)荧光强度的比值与Tm2O3浓度之间的关系可知，当Tm2O3的掺杂浓度为0.8 mol％时，Tm3+离子的交叉驰豫效应最明显。通过对Tm3+浓度系列玻璃光谱性质的分析得出Tm2O3的最佳掺杂浓度为0.8 mol％。它在1812 nm处获得最大的受激发射截面为6.00×10-21cm2;在1668 nm处获得最大的吸收截面为4.65×10-21 cm2。该玻璃有低的羟基吸收系数(0.18 cm-1)，长的1.8μm荧光寿命(834μs)，高的FOM值(30.05×10-21 cm2·ms)，以及大的1800 nm与1460 nm荧光强度的比值(90.33)。以0.3Tm2O3-4.5Al2O3-95.2SiO2的玻璃作为纤芯，制备了Tm3+/Al3+掺杂的双包层石英光纤，测试了Tm3+/Al3+掺杂双包层石英玻璃光纤的激光性能。在长度为50 cm的双包层掺铥石英光纤中获得了2.40 W的激光输出，斜率效率为12.2％。 论文第四章讨论了Ho3+/Al3+掺杂石英玻璃的2μm发光性质以及Ho3+/Al3+掺杂双包层石英光纤的激光性能。首先研究了不同Al3+/Ho3+比例掺杂的石英玻璃的结构与光谱性质。通过Ho3+/Al3+掺杂石英玻璃27Al NMR谱的分析发现，AlO4的含量在Al3+/Ho3+比为15时最多。荧光光谱强度随着Al2O3/Ho2O3比值的增加先增加后减小，并且Al3+/Ho3+比为15时强度最大。这是由于AlO4可以增加Ho3+的溶解度并且防止团簇，从而减少荧光猝灭，增加荧光效率。当Al3+/Ho3+比为15时，玻璃有大的受激发射截面(3.64×10-21 cm2)，5I7能级有高的量子效率(8.73％)，长的荧光寿命(1.19 ms)以及大的σem×τrad值(4.33×10-21 cm2·ms)。通过对Al3+/Ho3+掺杂石英玻璃的结构与光谱性质的分析表明Al3+/Ho3+掺杂石英玻璃获得2μm的最佳Al2O3/Ho2O3比值为15。在固定Al2O3/Ho2O3比值为15的基础上，进而研究了Ho3+离子浓度对石英玻璃2μm发光性质的影响。 Ho2O3的浓度范围从0.14到0.5 mol％。利用J-O理论计算得到的Ω2表明Ho3+/Al3+共掺石英玻璃中Ho3+离子所处环境具有较低的对称性。荧光强度的测试表明当Ho3+浓度为0.3 mol％时，荧光强度取得最大值。计算所得的最大吸收和受激发射截面值在1668nm与2026nm处分别为4.65×10-20 cm2和4.12×10-20 cm2。大的FOM(σems×Δλ)表明Ho3+掺杂石英玻璃能提供宽带增益带宽。以0.08Ho2O3-1.6Al2O3-98.32SiO2的玻璃作为纤芯，制备了Ho3+/Al3+掺杂的双包层石英光纤，测试了其激光性能。在2040nm处获得了320 mW的激光输出，斜率效率为48.46％。测得的光束质量因子M2为1.14。表明该Ho3+/Al3+掺杂的双包层石英光纤实现了准单模激光输出。 论文第五章系统研究了La2O3与Y2O3加入石英玻璃对高浓度Tm3+或Ho3+掺杂石英玻璃结构与光谱性质的影响。首先研究了不同La3+/Al3+比对高浓度Tm3+掺杂石英玻璃的结构与光谱性质的影响。通过27Al MAS NMR,29Si MASNMR，FTIR和Raman谱研究了高浓度Tm3+掺杂石英玻璃的结构。27Al MAS NMR以及29Si MAS NMR谱旋转侧带相反的变化趋势表明随着La3+/Al3+比值的增加，Al3+周围的部分顺磁性离子Tm3+转移到了[SiO4]-4附近。FTIR和Raman谱的分析表明La2O3可以解聚玻璃结构。1.8μm的荧光光谱与上转换光谱表明随着La3+/Al3+比值的增加Tm3+之间的距离变大。通过对不同La3+/Al3+比的高浓度Tm3+掺杂石英玻璃的结构与光谱性质的分析得出La2O3可以使得Tm3+在玻璃中的分散性变好。研究了加入La2O3与Y2O3对高浓度Tm3+或Ho3+掺杂石英玻璃结构与光谱性质影响的不同。通过27Al MAS NMR,FTIR和Raman谱对玻璃的结构进行了分析，通过吸收光谱与荧光光谱对玻璃的光谱性质进行了分析，结果表明La3+或Y3+掺入高浓度Tm3+或Ho3+掺杂的石英玻璃会可以改善稀土离子Tm3+或Ho3+的分散性，并且La3+离子比Y3+离子改善性能更好。 最后是论文的结论部分，总结了全文的实验结果，同时指出本研究存在的不足和需要进一步研究之处。