高精密激光加工、空间激光应用、非线性光学等众多新兴领域需要脉冲激光器作为光源,不仅需要激光器的平均输出功率达到一定水平,而且对脉冲峰值功率以及脉冲宽度有着特殊的要求。锁模光纤激光器可以产生高峰值功率、飞秒至纳秒各个量级脉宽的脉冲,具有极强的研究价值和应用潜力。人眼安全的1.6μm波段激光不仅是相干多普勒测风雷达、脑组织成像的理想光源,而且在拓展光通信信道和气体探测等领域应用广泛,同时对比1.5μm波段激光,掺铥光纤对1.6μm激光吸收率更高,更适用于泵浦掺铥光纤激光器。但掺铒光纤在1.6μm以上发射区的有效增益系数非常小,会受到C带自发辐射的影响而难以获得激光发射。1.5μm和2μm波段常用的被动光纤几乎都位于负色散区,当锁模光纤激光器工作在负色散区时,易受到孤子效应的影响而发生脉冲畸变和分裂,影响系统的稳定性。基于上述分析,本论文将重点研究如何在紧凑的全光纤被动锁模光纤激光器中获取1.6μm和2μm波段的高功率、大能量脉冲,同时开展1.6μm高功率、大能量脉冲相关的应用研究。利用被动锁模光纤激光器分立器件模型,系统分析并数值模拟五大类被动锁模光纤激光器的结构特点和输出特性,在较高泵浦功率下,方形脉冲不易分裂,证明方形脉冲全光纤锁模激光器是目前在全光纤锁模结构中获得高功率大能量脉冲输出的主要方式。数值模拟基于同带混合泵浦的增益开关光纤激光器,在泵浦脉冲能量不足时,提升连续光泵浦功率可辅助增益开关光纤激光器进入稳态,并压缩信号脉冲脉宽。当泵浦脉冲能量足够大,获得的信号脉冲宽度已接近最窄时,增加连续光泵浦功率对信号脉冲脉宽几乎没有影响,反而易诱导信号脉冲的畸变。哑铃形结构的全光纤锁模激光器,结构紧凑、设计灵活性高,无隔离器设计降低腔内损耗,提升激光器光光效率,进而降低腔热负载,提升腔损伤阈值。利用两种具有不同带内吸收系数的铒镱共掺光纤首次证明带内吸收调控可作为一种有效的波长控制方法,高带内吸收有利于1.6μm激光的产生且具备极强的鲁棒性;基于对带内吸收调控的研究,首次获得1.6μm可切换的纳秒类噪声方形脉冲,最大单脉冲能量和平均输出功率分别为3.07μJ与2.84 W,输出功率指标是国际上同类研究报道中的最高记录;通过加长非线性光学环形镜环长,提升腔内非线性效应,研究了纳秒类噪声方形脉冲的分裂和畸变特性,首次在同一激光器中获得了谐波类噪声方形脉冲以及新型类噪声h形脉冲两种输出状态,证明了谐波类噪声脉冲的产生与泵浦功率及初始光场直接相关。进一步研究了高峰值功率皮秒级脉宽的哑铃型结构锁模激光器,通过短腔哑铃形结构,获得了1.6μm高功率百皮秒类噪声方形脉冲输出,实现脉宽和峰值功率的双调谐,通过调节腔内偏振状态,脉宽从160 ps连续调谐至356 ps,变化1.2倍,对应的峰值功率从579 W降到291 W,变化近1倍,进一步优化腔结构,最终获得了3.12 W输出功率;首次提出通过增益调控来获取高功率宽光谱锁模脉冲的实验方案,经过优化3 d B谱宽达到了73 nm,输出功率达3.17 W,是国际上公开报道的1.5μm波段宽谱全光纤振荡器中最高水平。针对2μm波段,开展高功率大能量掺铥全光纤锁模激光器研究,获得了记录性的输出功率。搭建sigma结构掺铥全光纤锁模激光器,优化腔结构,获得了稳定的高功率大能量耗散孤子谐振脉冲输出,随着泵浦功率升高,单脉冲能量从324 n J线性增加到684 n J,脉宽从5.9 ns线性拓宽至14.5 ns,最大输出功率达到了1.98 W。构建哑铃形结构全光纤锁模激光器,获得了工作波长位于2030 nm的宽谱类噪声方形脉冲,输出功率高达2.8 W,3 d B谱宽为35 nm。基于对高功率大能量1.6μm锁模脉冲的研究,首次利用纳秒类噪声方形脉冲作为2μm增益开关激光器的脉冲泵浦源。通过混合泵浦方式,研究注入连续光功率对2050 nm增益开关光纤激光器输出脉冲宽度的影响,证明了连续光泵浦功率的增加可以辅助增益开关激光器进入稳态,同时起到压缩输出脉宽的作用,实验结果与2.3节数值模拟结果一致。通过主振荡功率放大技术,在2050 nm处获得22.6 W的高功率输出。提出了全新的高紧凑1.9-2.6μm高平坦超连续谱光纤光源实验方案。将高功率类噪声皮秒脉冲注入到高数值孔径色散位移光纤中,获得多级拉曼斯托克斯光输出。优化注入类噪声脉冲的宽度以及高数值孔径光纤长度,使得1920 nm处拉曼光达到最强,将其注入到掺铥光纤放大器中,获得了11 W高平坦1.9-2.6μm超连续谱光源,最大3 d B谱宽达到了638 nm。