高功率的超短光脉冲在激光精细加工、超快光学、光通信领域有重要应用,一直是激光领域的研究热点。被动锁模光纤激光器与传统的固体激光器相比具有体积小、结构紧凑、无需水冷等优点,是获得超短脉冲的重要途径。然而,因为过度的非线性相移导致的光波分裂,限制了单脉冲的能量,因此,光纤激光器输出的脉冲能量落后于固体激光器。基于非线性偏振旋转（NPR）锁模技术的自相似光纤激光器和全正色散光纤激光器很好地解决了脉冲能量过低的问题。与静态孤子和色散管理孤子比较,自相似脉冲和全正色散脉冲能够容忍的非线性相移高一到两个量级,相应的单脉冲能量也提高了一两个量级。掺Yb³⁺光纤增益系数高,带宽大,适合用于研制高能量超短脉冲光纤激光器。结合国内外该领域的研究进展和本实验室的条件,本论文选取了掺Yb³⁺锁模光纤激光器作为研究课题,主要进行了以下几个方面的研究,并取得了一定的创新结果:1.简要概述了激光器锁模的机理。利用非线性薛定谔方程,描述了光脉冲在光纤中的传播,并研究了增益、色散、非线性对光脉冲自相似演化的影响。发现了脉冲自相似演化时中心部分和边翼部分的区别,给出了对脉冲演化结果的合理解释。2.推导了表征偏振控制器件的斯托克斯矢量和米勒矩阵。详细分析了波片和偏振器的作用,找到了偏振控制器的最简单组合,成功模拟了偏振控制器对锁模激光器中光脉冲演化的影响。建立了自相似脉冲光纤激光器的理论模型:激光腔内偏振控制器由两个波片和一个偏振器组成,用耦合的Ginzburg-Landau（GL）方程分别描述光脉冲两个偏振分量在单模光纤和增益光纤中的演化。模拟了激光腔内不同位置处,脉冲不同部分（从中心到边翼）的偏振态,在起偏器前脉冲峰值部分被调制成圆偏振光,而远离峰值的两翼部分为椭圆偏振光（偏振度很大）,这是自相似脉冲的重要特征。通过考查锁模光纤激光腔输出的单脉冲能量及其时域形状,研究发现了激光器自相似脉冲锁模稳定运行的区域。3.综述了全正色散锁模光纤激光器的理论研究进展,总结了激光器参数对脉冲演化的影响,为实验上设计、改进激光器提供了参考。在相同泵浦功率下实验研究了全正色散光纤激光器的四种不同锁模状态。研究了激光器腔长对脉冲能量、锁模状态、光谱等性质的影响。分析了全正色散光纤激光器的不足,增加了脉冲整形器件,优化了激光器的输出。设计并研究了由全正色散光纤激光器种子源和两级放大器组成的系统,实现了重复频率33.3MHz,自相关曲线宽度14ps,单脉冲能量30nJ,峰值功率大于2kW的稳定脉冲输出。用衍射光栅在腔外对脉冲进行了色散补偿,发现由于脉冲具有非线性的啁啾,不能被有效的压缩。4.阐述了超短脉冲自相关测量的基本思想和常用技术。自制了一台二次谐波自相关装置,其测量范围覆盖100fs到100ps。详细的介绍了相关器的各项指标参数和操作规程。通过测量自制全正色散锁模光纤激光器的输出脉冲,演示了脉冲自相关曲线的测量过程,并验证了自制相关器的精度。