伴随着科学技术突飞猛进的发展,人们观察和认识物质世界的能力越来越高,对所用工具的要求也越来越高。而超短脉冲源的发展对科学的进步产生了重大的影响,它使直接观察自然界中一些超快过程成为可能。目前研究人员正在努力将超快领域向阿秒（10-18s）范围的时间分辨率和超快X射线探测物质扩展。同时,人们也在努力将超快激光器技术应用到更广泛的社会生活领域中去。在超快领域,技术的进步总是依赖于超短光脉冲源的可用性和稳定性。在过去几十年,各类固体激光器得到了充分的发展,在应用方面也取得了认可。近些年光纤激光器的发展势头迅猛并取得了大量成果,并在很多方面展现了其独特的优势,例如成本低、易集成、工作模式丰富等。本论文正是在这一背景下,基于全光纤超短脉冲锁模激光器,研究了光纤激光器色散分布与输出脉冲特性之间的关系,进一步结合新材料设计了新型的可饱和吸收体器件并将之应用到光纤锁模激光器中。本论文旨在探索提高光纤激光器的单脉冲能量和制作具备高损伤阈值的锁模器件的方法,达到提高光纤激光器性能的目的。本论文的研究内容主要从以下几个方面开展:一、研究了被动锁模光纤激光器中传统孤子、展宽脉冲、自相似孤子、耗散孤子这四种脉冲的形成机理、理论模型、激光器色散分布特点、实现方法、脉冲时域和频域的特性和能量级别。二、研究耗散孤子谐振的理论模型和数值模拟结果,总结了耗散孤子谐振的定义。通过引述他人在正色散激光器中发现的耗散孤子谐振实验,总结了其在实验上的表现特征即脉冲呈现高斯型的光谱,矩形的时域包络;当逐步升高泵浦功率时,脉冲的光谱强度单调的增加而宽度基本保持不变,脉冲的时域包络变化却恰恰相反,其强度保持不变而宽度单调增加。结合非线性偏振旋转技术,通过合理的实验设计和不懈的实验色散参数调整,在负色散激光器中探索并成功观测到耗散孤子谐振现象,填补了一项国际空白,颠覆了以往耗散孤子只可以存在于正色散激光器中的传统观念。该结果同时证实负色散激光器同样可以输出高能量脉冲。三、研究了碳纳米管的可饱和吸收特性,并将碳纳米管的可饱和吸收特性与其他类型的可饱和吸收体材料进行了比较,突出了碳纳米管的优良特性。自制SWCNT/PVA薄膜,并将其制成方便操作的可饱和吸收体器件。利用自制的光纤激光器系统对该器件进行了可饱和吸收特性测量。设计了一台掺镱光纤激光器,利用自制的SWCNT可饱和吸收体器件,在1051 nm处实现了耗散孤子锁模,脉冲序列稳定且均匀,信噪比达60 dB。进一步设计了一个放大系统,将脉冲能量放大到了93 nJ,测得脉冲宽度为421 ps且可以确定脉冲在时间域上呈现高斯型。最后建立理论模型,对SWCNT谐振腔的锁模过程进行了数值模拟。四、研究了Bi₂Te₃和MoS₂这两种新材料的可饱和吸收特性,并分别与倐逝波方法制作吸收体器件的两种方案拉锥光纤和D型光纤结合,通过合理的器件设计和谐振腔设计,前者实现了传统孤子锁模输出,后者同时实现了传统孤子和耗散孤子锁模输出,对实验过程进行了详细的阐述,对实验结果进行了细致的分析。将该实验与其他研究者所得结果进行了对比:前者的信噪比参数比同类报道有较大提高,达到60 dB;后者的插入损耗有较大幅度的降低,从一般的约75%降低到约13%,将该类激光器的启动阈值降低到几个毫瓦。最后阐述了该实验的意义:为设计高性能的新型可饱和吸收体器件提供了一个有效的方案。五、提出以云母为衬底代替传统的聚乙烯材料来制作可饱和吸收体器件的方法,突出了该方法与以往吸收体器件制作的优点即:可避免传统的吸收体器件损伤阈值低、插入损耗大、器件整体机械性能差的缺点。详细研究了在氟晶云母片上生长石墨烯和WS₂的过程。进一步将该方法制得的吸收体器件用于光纤激光器锁模实验中并成功实现锁模输出,证明了此种吸收体制作方法的可行性,为制作高损伤阈值和低损耗的可饱和吸收体器件提供了一个可行的设计方案。最后总结了此种吸收体器件制作方法的优越性,并提出了目前存在的问题,为下一步的改进工作提出建议。