多波长光纤激光器（MWFL）是一种可以在几十纳米的光谱范围内同时产生几个、十几个、几十个甚至上百个激光波长的光纤激光器，在未来的密集波分复用（DWDM）光通信系统、光纤传感、高精度光谱分析和光仪器检测等领域具有广阔的应用前景。本论文研究了基于级联非匹配长周期光纤光栅（LPFG）的新型可开关、可调谐MWFL和利用光纤的非线性效应实现的具有大量波长输出的MWFL。同时，我们也研究了LPFG的制作方法以及新特性。本论文的主要研究工作及成果包括：首先，介绍了我们自行设计、搭建的一套用线聚焦、长脉冲CO2激光全自动刻写LPFG的装置，这是目前成本最低、操作最为简单的制作LPFG的平台之一。解释了写入光斑的大小可以影响纤芯模和非对称包层模耦合的机理，并用基于有限元方法（FEM）的模拟和包层腐蚀实验加以验证。结论是小光斑写入法主要激发对称模式耦合，产生单峰共振的透射谱；大光斑写入法有利于激发非对称模式耦合，从而产生多峰共振的透射谱。其次，提出了“级联非匹配LPFG”的概念，即级联两个不同的LPFG，并对它的光谱特性进行了理论分析和实验研究。通过推导出其梳状透射谱的上、下包络的解析表达式，证明了其光谱上包络的固有不平坦性，但其下包络弯曲的曲率更大，而且对包层模损耗变化非常敏感。实验上，我们通过适当地弯曲级联非匹配LPFG，实现了在1530nm~1560nm波长范围内连续可调的局部高衬比度梳状透射谱。这一技术可应用于高精度弯曲传感器。再次，我们自制了具有偏振相关损耗（PDL）特性的级联非匹配LPFG，其梳状透射谱上包络可以随着入射光偏振态（SOP）起伏，即不同波长处的透射峰会随着入射SOP不同程度地升高或降低，这样就形成了一个各通道透射率可以非均匀变化的特殊梳状滤波器。它在EDFL中可以同时起到波长选择器和开关滤波器的作用。再辅以一个宽带高双折射萨格纳克光纤环（HiBi-SLM）来调节掺铒光纤（EDF）的增益带，我们的可开关、可调谐MWFL最终可以在1540nm~1570nm波长范围内输出数十种波长组合的激光。然后，我们研究了利用色散位移光纤（DSF）作为非线性介质同时引入非线性偏振旋转（NPR）效应和四波混频（FWM）效应用于MWFL。前者可以引入强度相关损耗（IDL）机制，用于抑制EDF的均匀展宽增益特性带来的模式竞争，后者可以促进各波长间的能量均衡分配，二者都有利于实现稳定工作的MWFL。对比发现，使用DSF比使用相同长度的单模光纤（SMF）产生的波长数目更多，效率更高。使用简单的环形谐振腔结构，实现了0.4nm波长间距，最多38个波长输出的MWFL。接着，利用非线性放大环形镜（NALM）产生多波长。理论和实验证明，这种方法的最大优点在于通过控制腔内损耗，可以方便地修正NALM的透射率特性，从而优化多波长激光振荡。使用“8”字形腔结构，辅以一段未泵浦的EDF来调节腔内损耗和吸收放大的自发辐射（ASE），在只有70mW的泵浦功率下，可以产生0.45nm波长间距，多达62个波长的可调谐激光输出。其中，利用MATLAB软件，通过数值求解激光器的原子速率方程和谐振腔速率方程，对基于NALM的MWFL的激光振荡过程进行了动态仿真，这有利于在理论上深入研究MWFL的性质。最后，我们研究了一种新颖的基于NALM的双态MW-EDFL，它采用数百米长的SMF作为非线性介质，既可以实现被动锁模，产生纳秒量级矩形波光脉冲，同时在光谱上产生非常稳定的数十个激光波长；又可以实现连续波多波长，产生高SNR、窄线宽的四波长可调谐输出。通过调节偏振控制器，可以使激光器在两种工作状态间切换。