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超短脉冲激光是一种重要的激光光源，它是物理学，化学，生物学，光电子学以及激光光谱学等学科对微观世界进行科学研究和揭示新的超快过程的重要手段。但是目前作为超短脉冲激光介质的掺镱磷酸盐和硅酸盐玻璃的普遍缺点是增益谱线尖锐，脉宽较长，超短脉冲输出功率不高等等。在光纤通讯领域，计算机网络及其它数据传输服务的发展使长距离光纤传输系统对通信容量和系统扩展的需求日益膨胀，提高光通讯密集波分复用系统的传输容量迫在眉睫，但传统的石英基质EDFA由于其本身带宽的限制而不能满足这种需求。因此，寻找掺镱磷酸盐和硅酸盐以外的掺镱基质材料以获得新的高功率超短脉冲激光增益介质是一项很有价值的工作，并且通过新的掺Er3+基质材料来实现光信号的宽带高增益放大对于光纤通信系统传输容量的扩展也具有非常重要的意义。由于超短脉冲激光和宽带EDFA都需要增益介质在较宽的频带上有一平坦的增益波型，所以本文以在掺镱超短脉冲激光和EDFA应用上具有优势的氟磷玻璃为研究对象，系统研究了Yb3+和Er3+离子在氟磷玻璃中的光谱激光性能、物理和化学性能、结构性能以及析晶稳定性能随玻璃成分变化的规律，并利用氟磷玻璃成分可调范围宽的特点，获得了玻璃形成能力和发光性能俱佳的适合于超短脉冲激光器的掺镱氟磷玻璃和渐逝波泵浦掺铒光纤放大器的低折射率高铒浓度氟磷玻璃，同时也针对掺铒氟磷玻璃具有应用于上转换激光器的特性，研究了Er3+在氟磷玻璃中的上转换光谱性质。
有别于其它掺镱玻璃研究中只注重Yb3+离子光谱性质的研究倾向，论文首先研究了以碱土金属氟化物为主的三元系统氟磷玻璃的成玻璃范围，并发现少量Yb3+离子的引入会使三元组分的玻璃形成范围明显加宽。Raman光谱分析显示，YbF3掺杂前后玻璃的结构发生较大变化，并使玻璃的析晶稳定性参数Tx-Tg平均提高3～4℃，结果证明稀土氟化物在氟磷玻璃里不仅是掺杂体，也作为网络中间体参与网络构筑。另外，从碱土金属各离子特点和离子键强等角度分析了碱土金属氟化物对玻璃的光谱激光性质和析晶稳定性质以及玻璃结构的复杂影响，确定了Yb3+离子的可能配位情况，并从结构出发分析了碱金属氟化物的引入可明显改善掺镱碱土金属氟磷玻璃一系列物理化学性能以及光谱激光性能的原因，证明混合碱效应同样存在于碱金属和碱土金属离子之间。本部分还研究了碲磷两种网络形成体产生的混合形成体效应以及具有优良成玻璃性能的PbF2对掺镱氟磷玻璃发光性能和物理化学性能的影响，最终得出了各项物理化学性质优良的、有很好成玻璃性能及综合发光性能的复杂组分掺镱氟磷玻璃作为进一步微片激光实验的介质玻璃。
对于掺铒氟磷玻璃，首先研究了B2O3和TeO2两种网络形成体对提高氟磷玻璃宽带性能的作用。利用Judd-Ofelt理论分析了Er3+在硼一氟磷玻璃中的光谱性能参数，根据计算结果得出了改善宽带性能同时保持较高荧光寿命(＞7.4ms)的B2O3的理想含量，并用晶体场对称性理论解释了B2O3改善氟磷玻璃宽带性能的原因。结果显示，适量B2O3有利于提高氟磷玻璃的析晶稳定性，且可有效地抑制稀土离子的上转换；如果以硼代磷，则FWHM的提高幅度更大，同时荧光寿命仍能保持较高水平，但析晶稳定性下降，表明氟磷玻璃的析晶稳定性优于氟硼玻璃。讨论了含碲氟磷玻璃的两个极端TeO2含量，即TeO2≤10mol％或≥30mol％，同时证明TeO2大于30mol％时只有以P2O5引入磷才能形成玻璃，并获得了30mol％≤TeO2≤70mol％的一系列完好玻璃，否定了TeO2和P2O5不能形成很好玻璃的观点。通过实验得出了碲一氟磷玻璃的熔制时间是影响Er3+离子光谱性能的一个重要因素。根据含碲氟磷玻璃中J-O参数的计算结果和碲酸盐玻璃及氟磷玻璃的特点，证明了氟磷玻璃中引入TeO2，则Ω6和Sed/(Sed+Smd)对Er3+离子带宽性能影响的常规判断方法没有适用性。第二，研究了氟磷玻璃中Yb3+对Er3+的敏化效应随Er3+离子浓度的改变，通过计算能量转移效率，得出要实现有效敏化，则Yb3+：Er3比需根据不同Er3+浓度决定而没有单纯的普遍适用的最佳Yb3+：Er3+比例范围。上转换红光和绿光的相对强度随Er3+浓度和Yb3+：Er3+比的改变有很大变化，并分析了相应的上转换机制。通过对J-O理论推导过程的分析，得出合理使用Ω6和Sed/(Sed+Smd)对Er3+离子带宽性能进行评价的一个必要的前提条件是要考虑不同的折射率分级集团。第三，研究了低折射率高铒浓度氟磷玻璃作为渐逝波泵浦光纤放大器增益介质的光谱和激光性质，首次获得了激光连续泵浦EWFA下的2dB的相对增益。探讨了低折射率掺铒氟磷玻璃的上转换机制，并首次获得了不同于以往β-PbF2型含铅微晶玻璃的无铅SrTe5O11型微晶玻璃，使绿光上转换强度提高了120倍。