近十几年来,光纤激光器由于其紧凑的结构、良好的散热性、优越的稳定性和较低的成本等优点,在科研、医学和工业领域具有十分广阔的潜在应用远景,其中高功率超短脉冲光纤激光器和矢量光束激光器更是广大科研人员研究的热门方向。实现高功率超短脉冲输出的方法通常采用啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification,CPA),该技术不仅可以避免脉冲发生非线性畸变和光损伤,与此同时可输出高功率、超短脉冲、高光束质量,因此运用CPA技术极大地促进了光纤激光器的输出功率的提高。CPA系统主要包括:种子源激光、脉冲展宽器、光放大器、脉冲压缩器,其中,种子源激光通常源自锁模激光器,而锁模技术的实现一般需要用到可饱和吸收体,因此可饱和吸收体的可靠性对激光器运行稳定具有决定性的作用。虽然目前有许多材料可作为可饱和吸收体,例如:石墨烯、二硫化钨、碳纳米管、黑磷、半导体可饱和吸收镜等,然而这些材料通常存在造价高、损伤阈值低、易潮解等缺点,因此严重影响激光器运行稳定性。综上所述,寻找一种稳定、廉价、易制作的可饱和吸收体材料就具有非常重要的意义。基于多模干涉原理的单模光纤-多模渐变光纤-单模光纤(SMS)结构作为可饱和吸收体,具有高稳定性、成本低、结构紧凑的优势。然而在SMS结构中,多模渐变光纤的长度需要严格控制,使其满足干涉条件,其长度精度在数十微米量级,这在实际操作过程中较难实现。因此,若想利用SMS结构作为可饱和吸收体,还需解决多模光纤的长度限制的问题。矢量光束与传统光束的主要区别在于矢量光束的光场存在孤立奇点,且横向光场为中空强度分布。按照其所携带的奇点类型可以分为两类,携带偏振奇点的称为柱矢量光束(Cylindrical Vector Beams,CVBs),携带相位奇点的称为轨道角动量光束(Orbital Angular Momentum,OAM)。由于矢量光束独特的偏振和相位特性,使得其在光镊、表面等离子激发、超高分辨率成像、光通信等领域具有重要运用。通常矢量光束是在普通少模光纤中产生和传输,然而由于普通少摸光纤模式间的有效折射率相差很小,导致模式间的串扰十分严重,矢量光束不能稳定传输。因此如何产生稳定、紧凑、高效率、高纯度的矢量光束是一个十分值得探索的问题。本文首先介绍了超短脉冲激光器的应用、锁模技术产生超短脉冲的原理、SMS结构作为可饱和吸收体的原理以及制作过程、CPA技术的原理,并结合数值模拟结果,解决SMS作为可饱和吸收体时多模光纤的长度限制。其次,介绍了矢量光束光纤激光器的应用、常见产生方式、光纤耦合理论以及少模保偏光纤中的模式分布,并以此为基础,提出了利用保偏光纤解决普通光纤中模式串扰问题,以达到稳定、高效的矢量光束输出的目的。本论文的主要研究工作与成果如下:1.利用多模干涉原理,在单模光纤-多模渐变折射率光纤-单模光纤结构(SMS)中实现了可饱和吸收效应,并提出了一种解决SMS结构中的多模光纤长度限制问题的方法。通过利用两种不同芯径错位拼接,可以有效解决SMS结构中多模光纤的长度限制。通过改变两段多模光纤间的错位偏移量,可以有效调节可饱和吸收体的调制深度。基于这种方案,制作了调制深度为15.28%的可饱和吸收体,并搭建了一台全光纤的锁模激光器。2.基于多模干涉原理与非线性偏振旋转的混合锁模原理搭建了一台光纤激光器,通过混合锁模机制有效地提高了激光器的稳定性同时压缩了脉冲宽度。3.研究了一种基于多模干涉的逆可饱和吸收效应的锁模方型脉冲光纤激光器,通过调节偏振控制器,可以输出方形脉冲和h型脉冲,并利用本研究组提出的简易啁啾测量装置,探究这两种脉冲的啁啾特性。该激光器可以分别输出最大脉冲能量为0.14 μJ和23.8 nJ的方形和h型脉冲。4.基于啁啾脉冲放大技术,使用啁啾光纤光栅和闪耀光栅分别作为脉冲展宽器和脉冲压缩器,实现了全光纤结构的高功率超短脉冲激光系统,可输出平均为4.7 W,脉冲宽度为1.6 ps的超短脉冲。5.设计一种全保偏光纤结构的OAM光束激光器,利用保偏光纤可以有效解决模式串扰问题,同时具有免调试、高稳定性的特点,可输出平均功率为83 mW,纯度为93.6%、±1阶的OAM光束激光。6.设计一种基于模式叠加原理的全保偏光纤TM01模式的柱矢量激光器,该激光器具有免调试、高稳定性、有效减小模式串扰问题等优点,可输出功率为19.20 mW,纯度为91.8%的柱矢量光束。本文创新点:1.提出了利用多模光纤错位偏置解决SMS结构中多模光纤的长度限制,并通过调节偏置位移长度可有效调节可饱和吸收体的调制深度。2.利用多模干涉中的逆可饱和效应实现了多形状的锁模脉冲输出,并分别测量脉冲的啁啾特性。3.设计了一种基于非线性偏振旋转和多模干涉效应原理的混合锁模激光器,有效地提高了激光器的稳定性和输出脉冲的宽度。4.设计了一种基于模式叠加原理的全保偏光纤结构的矢量光束激光器,可以输出高纯度、高稳定性的矢量光束。