高功率超短脉冲光纤激光器具有输出光束质量好、光光转换效率高、抗干扰性好以及可以实现全纤化等优势,广泛地应用于各种重要领域。基于此,本论文开展了高功率百瓦级超短脉冲掺镱光纤激光器的研究,通过对全光纤保偏及非保偏高功率超短脉冲掺镱光纤激光振荡器、放大器、压缩器及其在超连续谱光源中的应用进行理论分析和实验研究,获得了高平均功率、高脉冲能量的窄脉冲输出。本论文的主要研究工作从以下几个方面进行:一、全光纤锁模激光振荡器的理论和实验研究。对光纤锁模激光振荡器进行了相关理论研究,分析了锁模的物理机制以及实现锁模的几种方式,在实验中分别采用了三种被动锁模技术进行锁模,在准三能级系统和准四能级系统中都实现了稳定的皮秒锁模脉冲输出。第一种是NPR锁模技术,在环形腔结构中实现了脉冲宽度为567 ps的百皮秒锁模脉冲输出。第二种是SESAM锁模技术,采用商用的SESAM对不同工作波长和不同腔长的直线腔光纤激光振荡器进行对比实验,获得了不同中心波长(1031 nm和1064 nm)及不同的重复频率(16.68 MHz和36.41 MHz)的稳定锁模脉冲输出。采用具有不同周期的材料涂层的三种自制SESAM,两种可以在直线腔中实现稳定的锁模,体现了自制SESAM优异的锁模特性。第三种是碳纳米管锁模技术,采用管径为0.8 nm的碳纳米管及环形腔结构的振荡器,在准三能级系统的979 nm和准四能级系统的1032 nm处都实现了稳定的锁模,这也是碳纳米管作为可饱和吸收体首次在980 nm的全光纤掺镱激光振荡器中实现稳定锁模。二、全光纤百瓦级皮秒脉冲MOPA放大器的理论和实验研究。首先对掺镱光纤放大技术及衍射光栅对脉冲压缩器的工作原理进行了详细的理论分析与推导,利用MATLAB软件对主放大级的放大过程进行了理论模拟。然后采用中心波长为1033 nm的全光纤皮秒NPR锁模振荡器作为种子源,其输出的百皮秒脉冲可以直接进行放大,不需要再引入正色散进行脉冲的展宽。信号光经过两级的MOPA放大器进行放大,最终在6 m的10/130μm的光纤中得到了100 W的皮秒脉冲激光输出,与理论模拟结果相匹配。使用光栅对对放大后的221 ps的脉冲进行脉冲压缩,最终得到了0.84 ps的百飞秒量级压缩脉冲输出。三、全光纤保偏皮秒脉冲MOPA放大器的实验研究。线偏振态是超短脉冲光纤激光器的关键参数之一,是高效率倍频激光产生、生物成像和精细激光测距等应用中至关重要的特性。采用中心波长为1031 nm的保偏SESAM锁模激光振荡器为种子源,利用其峰值功率和单脉冲能量都很高的特点,可以在放大器中产生强烈的非线性效应,信号光不经过脉冲展宽直接在放大器中边放大边进行光谱展宽,经过两级的保偏MOPA放大器后获得了35 W的宽光谱激光输出,光谱范围为1020 nm～1700 nm。四、全光纤百瓦级保偏皮秒脉冲CPA放大器的实验研究。首先利用MATLAB软件对主放大级的放大过程进行了理论模拟,然后在实验中采用重复频率为16.68 MHz的保偏SESAM锁模激光振荡器作为种子源,为了减小系统中的非线性效应,得到高功率的线偏振超短脉冲激光输出,信号光通过保偏单模光纤展宽器进行脉冲展宽后,在高掺杂的保偏掺镱光纤放大器中进行放大,最终在0.9 m的30/250μm的高掺杂增益纤中得到了100.8 W的高功率线偏振光输出,其峰值功率为21.58 k W,单脉冲能量为6.04μJ,与理论模拟结果基本匹配。用光栅对对其进行脉冲压缩,得到了12.5 ps的压缩脉冲激光输出。通过采用更高重复频率的振荡器作为种子源,进一步降低放大器中的峰值功率和非线性效应,采用重复频率为36.41 MHz的振荡器及相同结构的放大级,同样实现了100 W的百瓦级线偏振光输出,为后续的压缩实验提供了基础。五、全光纤超连续谱光源的实验研究。超短脉冲光纤激光器的一个重要应用就是作为泵浦源泵浦非线性PCF产生超连续谱。首先使用MATLAB软件对不同长度的七芯PCF中超连续谱的产生进行理论模拟仿真,然后实验中采用全光纤皮秒MOPA放大器作为泵浦源,利用其光谱宽、脉宽窄、中心波长与七芯光子晶体光纤的零色散波长接近等特性,泵浦大模场七芯PCF获得高功率、宽光谱范围的超连续谱输出。使用长度为10 m和2 m的七芯PCF,分别得到输出功率为11.7 W,光谱展宽范围为620 nm～1700nm及输出功率20.4 W,光谱范围为680 nm～1700 nm的超连续谱输出,输出的超连续谱可以保持长时间稳定,且与理论模拟仿真结果比较吻合。