被动锁模光纤激光器在科学研究和工业生产中起到越来越大的作用,在光纤通信、传感和激光加工等众多领域有着广泛的应用。作为低成本的超短脉冲源,被动锁模光纤激光器结构简单、易于准直、设计灵活。本论文的主要工作围绕被动锁模光纤激光器中不同特性孤子展开实验与理论研究。通过精确的色散和非线性管理,实现了不同色散腔的多波长孤子锁模光纤激光器,波长可调谐孤子锁模光纤激光器,矢量孤子锁模光纤激光器以及束缚态孤子锁模光纤激光器。本论文的研究内容如下:1.研究了负色散区利用非线性偏振旋转锁模和石墨烯锁模的双波长掺铒光纤激光器,详细分析了被动锁模光纤激光器中双波长传统孤子的形成机理和相互作用方式。此外,采用啁啾光纤布拉格光栅技术,实现了三个波长能够独立输出的孤子源,相应锁模脉冲的中心波长分别为1539.5、1549.5和1559.5 nm,脉冲宽度分别为6.3、5.2和4.8 ps,光谱带宽分别为0.42、0.65和0.53 nm。2.实验研究了正色散区利用非线性光纤环形镜锁模的双波长掺铒光纤激光器,详细分析了双波长耗散孤子的形成机理。不同于负色散区的传统孤子,耗散孤子具有陡峭的光谱边沿。通过对双波长耗散孤子偏振特性进行研究发现,两组锁模脉冲具有相同的偏振态。研究结果表明,双波长耗散孤子的形成主要源于双折射诱导的滤波效应。3.提出了基于非线性偏振旋转锁模波长可调谐的掺铒光纤激光器,详细分析了可调谐孤子的形成机理。在负色散区,实现了波长在1560 nm～1575 nm范围连续可调谐的传统孤子。在正色散区,获得的耗散孤子在1560 nm～1592 nm范围连续可调,调谐范围可达32 nm。耗散孤子中心波长为1560 nm时,信噪比80 dB,光谱带宽9.76 nm,脉冲宽度9.5 ps,脉冲经过一段负色散单模光纤后可以被压缩到500 fs,压缩后直接输出脉冲的峰值功率为1 kW。4.提出了一种基于单壁碳纳米管锁模实现矢量孤子和标量孤子的掺铒光纤激光器。在近零色散区得到了群速度锁定矢量孤子,并且数值模拟了群速度锁定矢量孤子的形成机理。矢量孤子具有平滑的高斯型光谱轮廓,中心波长1560 nm,脉冲宽度500 fs,光谱带宽8.5 nm。此外,在正色散区得到了标量耗散孤子。耗散孤子的中心波长1563 nm,光谱带宽12 nm,脉冲宽度13 ps,脉冲经过一段负色散单模光纤后可以被压缩到320 fs。5.详细研究了被动锁模掺铒光纤激光器中不同特性束缚态孤子的产生、相互作用和传输特性。首先,实现了相位差为π的传统孤子束缚态。实验观察并理论计算了束缚态孤子在腔外的传输过程。其次,利用单壁碳纳米管锁模,实现了光谱带宽35 nm、脉冲宽度3.4 ps的耗散孤子单脉冲,脉冲可以被压缩到156 fs;进而研究了耗散孤子的分裂和相互作用过程,得到了光谱调制深度8 dB,脉冲间距30 ps,脉冲宽度3.6 ps的耗散孤子束缚态。最后,基于非线性放大环形镜锁模实现了三个耗散孤子束缚态。束缚态孤子光谱调制深度12 dB,脉冲间距7 ps,脉冲宽度460 fs。结果表明,束缚态孤子的形成源自于直接的脉冲相互作用。