近十年来，光纤飞秒激光器以其紧凑的结构，较高的稳定性，低廉的成本，较好的光束质量以及多样的锁模机制等诸多优势，倍受科研工作者的青睐，并且广泛应用于微纳加工，生物成像，医学手术等前沿领域。随着应用的推广，对飞秒激光器指标的要求也在不断提高，如脉冲宽度，光谱宽度，单脉冲能量等等。为了得到更窄的脉冲，更宽的光谱和更高的能量，科研人员研究并提出了不同的锁模机制，以适应不同的需求。本论文旨在通过理论数值模拟和系统的科学实验，以深入探索和研究掺镱光纤飞秒激光器中光谱呼吸的动力学机制及其对脉冲宽度，光谱和能量的影响，讨论此系统的腔内锁模运转机制，并对未来关于超短脉冲光纤激光器的工作作出展望。此论文的主要工作包含如下几方面：1.简要介绍飞秒激光器的历程和在光纤中获得超短脉冲的最新进展，总结进一步缩短脉冲的途径，即突破增益带宽的限制，这是本文的主要研究工作。2.基于超短脉冲在光纤中的非线性传输过程，增益损耗，群速度色散，自相位调制，和可饱和吸收等物理效应，建立结合色散管理孤子锁模，自相似锁模和耗散孤子锁模等锁模方式的光谱呼吸机制的理论基础。3.在Matlab中建立光谱呼吸理论的数值模型，确定初始参数，并模拟出腔内的动力学过程，得到亚25fs脉宽宽度，超过120nm光谱宽度的稳定锁模脉冲序列。同时分析讨论了非线性光谱窄化，近自相似放大，非线性光谱展宽等关键部分的脉冲光谱演化，和滤波器的耗散强度对模拟结果的影响，以此进一步研究光谱呼吸的物理机制。4.基于光谱呼吸模型，搭建了掺Yb光纤激光器系统，实现了稳定锁模运转。泵浦功率580mW，输出功率135mW，重复频率58.9MHz，单脉冲能量2.3nJ，信噪比大于80dB，偏振分束器输出光谱宽度115nm，通过棱镜对压缩后脉冲宽度23.5fs。并同时用20nm滤波器替换30nm滤波器，得到100nm的输出光谱和25fs的压缩后脉冲，脉冲基底较小。比较得出，采用较宽带通滤波器可获得更窄脉冲，但同时脉冲质量会受到更多非线性啁啾的影响而降低，实验结果与模拟契合，步证实了光谱呼吸机制的可行性。