通过延长锁模光纤激光器腔内的光纤长度可以获得超长的谐振腔,腔长的增加可以有效地降低脉冲激光的重复频率和提升单脉冲能量,这种脉冲激光可以减少作用物体的热寄生现象,被广泛应用于眼外科手术、生物医学诊断、微机械加工等领域。目前,对基于非线性光纤环形镜、非线性偏振旋转效应、半导体可饱和吸收镜以及单壁碳纳米管可饱和吸收体锁模机制的超长腔锁模光纤激光器的研究已经有所进展。基于非线性偏振旋转效应的超长腔锁模光纤激光器是研究的热点,但这种锁模机制对偏振要求敏感,同时高功率下容易失去饱和吸收特性。单壁碳纳米管可饱和吸收体是近些年新兴的锁模器件,有透射型、倏逝场型两种锁模技术。其中透射型锁模技术已经在超长腔锁模光纤激光器中得到应用,但其损伤阈值低,无法获得高能量的脉冲;与之相比,倏逝场型锁模技术具有明显的优势,由于碳纳米管不插入主光路,不仅避免了腔内高能量激光的损伤,而且也增加了散热面积,是一种提高损伤阈值、保持全光纤结构,可获得稳定高能量脉冲的优化方案。本文利用单壁碳纳米管和非线性偏振旋转结构实现了超长腔锁模掺镱光纤激光器,获得了低重复频率、较高脉冲能量的纳秒级脉冲激光输出,可作为种子源应用于泵浦探测、生物医学诊断和全光纤放大系统等领域。主要研究内容如下:(1)介绍了超长腔锁模光纤激光器的分类,概述并简析了其研究现状。(2)建立了基于非线性薛定谔方程的光脉冲传输理论模型,模拟了群速度正色散、三阶色散以及自相位调制效应对光脉冲演化的作用;利用Haus主方程模拟了腔内各个参数对光脉冲的啁啾、宽度、相移量以及稳定性的影响。(3)利用飞秒刻写技术制备了D型光纤,配制了单壁碳纳米管均匀分散液,将单壁碳纳米管涂覆到D型光纤区域,制备了倏逝场型可饱和吸收体,测试了其可饱和吸收特性,进一步分析了碳纳米管与倏逝场相互作用机制。(4)搭建了超长腔碳纳米管锁模掺镱光纤激光器,研究了不同输出耦合器、不同腔长的锁模光纤激光器的脉冲特性,分析了噪声型孤子、噪声型二阶谐波孤子、孤子雨、孤子雨多阶谐波、矩形孤子时域特征。通过设计滤波检测实验装置,进一步分析了多波长光谱产生的原因。(5)组建了超长腔非线性偏振旋转锁模掺镱光纤激光器,研究了单脉冲、脉冲簇锁模的脉冲特性。最后,对比两种不同锁模机制的饱和吸收特性,分析了两种机制作用下超长腔锁模光纤激光器的不同脉冲行为。