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超短脉冲光源一直是非线性光学、超快光学技术领域中的一个非常活跃的前沿课题，也是实现光纤通信系统超高速、大容量传输的关键技术之一。被动锁模光纤激光器是传统固态激光器的有力替代者，但它在脉冲能量上落后于固态激光器，这主要是由于过度的非线性相移导致的波分裂限制了脉冲能量的提高。自相似脉冲光纤激光器、全正色散光纤激光器以及自相似脉冲光纤放大技术很好地解决了脉冲能量受限的问题，产生的脉冲能量可以比孤子或色散管理孤子的高一、二个量级。由于掺镱光纤具有优良的性能，目前采用掺镱光纤激光器来获得高能量脉冲成为超短脉冲光纤激光器的研究热点。
本文结合课题组承担的基金项目以及实验室条件，主要围绕高能量无波分裂超短脉冲光纤放大器和激光器进行了较深入的研究，主要内容如下：
1.对超短脉冲在掺镱光纤放大器中的自相似演化特性进行了详细研究。使用有增益的非线性薛定谔方程来描述脉冲的演化，数值模拟了脉冲的自相似演化过程；研究了初始输入脉冲宽度、啁啾、脉冲能量以及增益光纤的各种参量对脉冲自相似演化结果的影响；给出了脉冲实现自相似演化时放大器需具备的参数条件。研究结果对优化设计自相似抛物脉冲放大器具有指导意义。
2.从理论和实验两方面对全正色散的被动锁模光纤激光器进行了研究。理论上，分析了锁模时域方程，研究了腔参数对激光器锁模运转的影响。建立了全正色散被动锁模光纤激光器的理论模型，给出了激光器稳定运转的参数；研究了腔内的净色散、有限增益带宽对输出脉冲宽度、啁啾、频谱宽度等的影响，发现有限增益带宽的频谱滤波是实现稳定锁模运转的关键。实验上，对采用非线性偏振旋转（NPR）锁模的全正色散被动锁模环形腔掺镱光纤激光器进行了研究，得到了连续、调Q锁模、连续锁模激光输出，锁模脉冲重复频率为16MHz，单脉冲能量为0.64nJ；在不同的腔色散条件下研究了锁模阈值泵浦功率以及脉冲的频谱带宽，所得实验结果与理论研究相吻合。
3.对基于可饱和吸收体（SA）锁模的自相似脉冲光纤激光器进行了理论研究。用G-L非线性薛定谔方程描述脉冲在腔内的演化，建立了基于SA的自相似抛物脉冲光纤激光器模型，通过数值模拟成功获得了稳定的自相似脉冲输出。采用特征参数k来衡量脉冲与抛物形状接近的程度，考察了脉冲在腔内的自相似演化过程，并研究了增益光纤的增益带宽、腔内净色散、耦合输出比和光纤的增益系数等关键参量对输出脉冲的宽度、频谱以及时谱积的影响。这为自相似脉冲激光器的实验奠定了理论基础。
4.对基于NPR锁模的自相似脉冲激光器进行了理论研究。采用耦合的非线性薛定谔方程组（CNLS）描述脉冲在弱双折射光纤中的演化，用传输矩阵说明脉冲在整个激光腔内偏振态的动态变化，建立了基于NPR锁模的自相似脉冲激光器模型。借助数值模拟，在不同的腔参数条件下，获得了稳定的自相似抛物脉冲输出。研究了腔内净色散、有限增益带宽、三阶色散对脉冲的演化以及输出脉冲特性的影响，并分析了它们对输出脉冲腔外去啁啾的影响。采用NPR锁模的激光器模型与采用SA锁模的激光器模型得到的主要结果一致。
5.进行了偏振控制多波长激光器的理论和实验研究。分析了掺镱光纤激光器波长调谐的机理，在环形腔掺镱光纤激光器中实现了13nm的调谐范围；实验研究了波长可开关的双波长L波段掺铒光纤激光器，获得了波长分别为1575.6nm和1591.2nm的激光输出；进行了环形腔多波长掺镱光纤激光器的实验研究，利用空间烧孔和偏振烧孔效应获得了最多8波长的激光输出，波长间隔1.1nm；采用NPR和MZI在环形腔掺镱光纤激光器中实现了多波长和锁模两种运转模式，多波长状态下，可以实现二至四波长稳定输出，锁模运转时，输出脉冲重复频率为10.6MHz，最大脉冲能量约1nJ。