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2～3μm波段的中红外激光在光通讯、医疗、环保和国防等领域有着重要的应用前景，激光技术的发展在很大程度上依赖于高性能激光材料的发展，因此激光材料是激光技术发展的核心和基础。本论文的主要目的是研究适用于～2μm激光输出的玻璃和光纤，探索适用于～3μm发光的新型玻璃材料。通过对锗酸盐玻璃组分的探索和掺杂离子浓度的优化，制备出了一种适用于～2μm发光的玻璃材料，在Tm3+单掺锗酸盐玻璃中实现了百毫瓦级的～2μm激光输出。
论文第一章首先综述了2μm和3μm稀土离子掺杂玻璃光纤的发展与应用，概括了锗酸盐玻璃材料的基本特点及锗酸盐玻璃光纤的研究进展，然后提出了本论文主要的研究内容和思路。
论文第二章主要介绍了锗酸盐玻璃和光纤的制备方法、性质测试、光谱理论计算和分析方法等。
论文第三章研究了不同GeO2含量对锗酸盐玻璃的热学、结构及2μm光谱性能的影响。随着GeO2含量的增加，非桥氧减少，玻璃结构变得紧凑，转变温度也随之升高，最大声子能量从838cm-1升到855cm-1。结果表明，GeO2-Ga2O3-BaO/BaF2-Na2O-La2O3(G1)玻璃具有良好的热学性能和光谱性质，是一种实现1.8μm激光输出的理想玻璃基质材料。以G1玻璃为基础，系统研究了Tm2O3掺杂锗酸盐玻璃的热学性能和光谱性能。Tm2O3掺杂的最佳浓度值为3wt％，在1.8μm处的发射截面为9.3×10-21cm2。研究了Yb3+/Ho3+双掺锗酸盐玻璃在2μm波段的发光性能及能量传递过程。当Yb2O3和Ho2O3浓度分别为5mol％和1mol％时，2μm荧光强度最强。Ho3+∶5I7→5I8跃迁的发射截面为8.6×10-21cm3。反向能量传递系数CA-D是正向能量传递系数CD-A的0.054倍，说明Yb3+能有效地将能量传递给Ho3+离子。研究了锗酸盐玻璃中Ho3+离子2μm光谱性质。分别对Ho3+进行直接泵浦和利用Tm3+离子做敏化剂间接泵浦，荧光光谱数据表明，Tm3+/Ho3+双掺锗酸盐玻璃更有利于获得高强度的2μm发光。研究了Ho3+/Tm3+/Er3+三掺锗酸盐玻璃2μm的发光以及离子之间的能量转移过程。Ho3+可以有效地被Tm3+和Er3+离子敏化，Tm3+∶3F4→Ho3+∶5I7是Ho3+离子的主要敏化方式。Er3+离子通过Er3+∶4I13/2→Tm3+∶3F4过程，有效地将能量传递给Tm3+离子。
论文第四章首先研究了不同Bi2O3含量锗酸盐玻璃的热学性能、玻璃结构和3μm光谱性质。当Bi2O3含量为10mol％时，锗铋酸盐玻璃在2.7μm的发光最强，Er3+离子的最大发射截面为7.17×10-21cm2。以锗酸盐玻璃为基础，研究了Cr3+离子对Er3+离子在2.7μm发光的影响和能量转移过程。当Er3+和Cr3+离子双掺浓度分别为2mol％和0.2mol％时，2.7μm的荧光强度最大。研究了在锗酸盐玻璃中Yb3+离子作为敏化剂对Er3+离子2.7μm发光的影响。Yb3+离子引入极大的提高了980nm的泵浦效率，Er3+/Yb3+双掺能够有效地增强Er3+在2.7μm处的荧光强度。研究了Er3+/Pr3+双掺锗酸盐玻璃的热学性能、光学性能以及光谱性质。2.7μm附近的透过率为85％，能量转移过程(4I13/2，3H4)→(4I15/2，3F3)的效率高达95％。Pr3+离子能够有效地抑制Er3+:4I13/2能级上的粒子数，从而促进2.7μm发光。研究了Er3+/Tm3+/Nd3+三掺锗酸盐玻璃在2.7μm的发光特性。Er3+∶4I11/2→4I13/2能级跃迁对应的自发辐射跃迁几率为26.61s-1，荧光分支比为28.89％。Tm3+和Nd3+离子引入能有效提高样品在808nm的泵浦效率，还通过能量转移过程有效地减少了Er3+:4I13/2能级上的粒子数，促进粒子数反转。
论文第五章以GeO2-Ga2O3-BaO/BaF2-Na2O-La2O3玻璃为基础，研究了Tm3+单掺锗酸盐块体玻璃的2μm光谱和激光性能。Tm3+:3F4→3H6能级跃迁对应的最大受激发射截面为8.7×10-21cm2，量子效率为71％，非辐射弛豫跃迁几率为0.09ms-1，表明掺Tm3+锗酸盐玻璃具有良好的光谱性能。以792nm激光二极管为泵浦源，获得了最大输出功率为346mW，斜率效率为25.6％的1.9μm激光输出。实验结果表明，掺Tm3+锗酸盐玻璃是一种具有良好发展前景的中红外发光材料。在锗酸盐块体玻璃基质的基础上，通过设计出芯心和包层玻璃的组分，利用棒管法制备了光纤预制棒，在拉丝塔中进行光纤拉制，研究了Tm3+离子掺杂锗酸盐玻璃光纤2μm光谱和激光的性能。采用不同长度的光纤进行荧光测试，和块体玻璃荧光光谱相比，荧光峰值从1.8μm红移到1.9μm，光纤光谱的荧光半高宽(FWHM)从238nm减小到210nm。由于光纤损耗较大，并未获得激光输出。在接下来的工作中重点是要进一步优化光纤组分、改进玻璃熔制工艺、棒管加工工艺和光纤拉丝工艺，以制备光学均匀性良好的光纤预制棒;其次是改进激光测试系统。
论文第六章研究了Er3+/Tm3+双掺锗酸盐玻璃在近红外通信波段的发光性能和Er3+/Tm3+离子之间的能量转移效率。Er2O和Tm2O3最佳浓度配比分别为0.2wt％和0.8wt％，此时近红外波段(1350nm-1675nm)的荧光半高宽为～138nm，荧光峰范围为1300nm-2200nm，包含了S波段1440nm-1530nm，C+L波段1530nm-1600nm和U波段1600nm-1675nm。Er3+/Tm3+离子间能量传递效率达76％，说明了Er3+和Tm3+离子之间存在有效的能量转移过程。