回音壁模式微腔具有品质因子（Q值）高、结构简单、尺寸小、模式体积小、可在硅片集成等显著优势,因而在集成光子学、低阈值激光、高灵敏度生物传感、腔光力学等诸多领域有广泛的应用。基于回音壁模式的有源微球腔具有高Q值和易于加工制备的特点,是低阈值微型激光器和高灵敏度传感研究领域的热点。本文以“高性能回音壁模式微球腔激光”为目标,围绕着单一模式运转和多波段激射输出两个方面的性能,从理论和实验方面开展了高品质因子回音壁模式有源微球腔的设计、制备及高性能激光输出的研究,具体的研究内容包括以下几个方面:1、高Q值回音壁模式有源微腔的设计与制备。理论研究分析微球腔的主要参数、腔内模场分布、微球腔的高效耦合及激光输出性能等,搭建回音壁模式光学微腔实验平台,通过多种加工技术制备出高Q值的回音壁模式微球腔,开展微腔的耦合与测量实验。通过对Q值不同的Er³⁺/Yb³⁺共掺磷酸盐玻璃微柱腔和微球腔开展初步激光实验,均在1.5μm波段实现了低阈值多模式运转的稳定激光输出,理论和实验结果表明高性能微腔激光的输出由微腔Q值、增益系数以及泵浦光耦合状态等多种因素共同决定。此部分研究为后续高性能微球激光研究的开展奠定了理论设计、制备加工和实验探索的基础。2、单一模式运转回音壁模式微球激光的设计与研究。回音壁模式的微球腔存在复杂的高阶模式,导致输出的微球激光以多模式运转。利用Er³⁺/Yb³⁺共掺磷酸盐玻璃,成功制备Q值为10⁶的微球,通过优化球形度和构建双增益复合微球腔两种方案,均有效实现1.5μm波段处单纵模运转的激光输出,阈值为100μW量级,线宽1.8 MHz,边模抑制比达45.1 dB,有效提高了微球激光的光束质量。3、多波段激射回音壁模式微球激光的设计与研究。激射不同波段激光的微球激光器可极大扩展微球激光的应用领域。基于不同稀土掺杂离子的玻璃制备微球腔,实现不同激射波段的微球激光输出,在实验中基于掺Yb³⁺磷酸盐玻璃、Er³⁺/Yb³⁺共掺磷酸盐玻璃和掺Tm³⁺锗酸盐玻璃的微球腔分别实现1.0μm、1.5μm和2.0μm多个波段的激光输出,同时基于受激拉曼效应的石英无源微球腔实现1.0μm波段激光输出。并进一步探索研究将不同有源玻璃混熔后制备微球腔,以期通过独立谐振或级联泵浦的方式实现单一微球腔实现激射多个波段的激光。基于不同稀土掺杂玻璃材料和光学非线性效应实现多波段激光输出,此部分研究内容极大丰富了微腔激光的输出波段和拓展了相关的应用领域。