被动锁模光纤激光器因具有结构紧凑、散热性能好、可靠性高等优点,在光纤通信、光学传感和非线性光学等领域得到了广泛的应用。最近兴起的色散傅里叶变换(DFT:dispersive Fourier transform)技术可以将光波的光谱信息映射到其时域包络中,为被动锁模光纤激光器中孤子瞬态动力学的研究开辟了新途径。本论文主要从实验上研究分析了基于碳纳米管锁模的光纤激光器内传统孤子、耗散孤子、双孤子和束缚态孤子等状态的实时演化动力学。此外,还详细研究了传统单孤子状态和束缚态孤子之间的过渡动力学。基于实验结果分析了这些超快过程中复杂的非线性光学现象,例如,拍频行为、调制不稳定性引起的脉冲分裂、孤子间的相互作用等,进一步完善人们对孤子特性的了解。本论文的主要研究成果如下:1.在基于碳纳米管膜锁模的掺铒光纤激光器内研究了不同色散区中孤子的启动演化动力学。利用DFT技术研究了光谱宽度为~8.7 nm、脉冲宽度为~0.75ps的传统孤子和光谱宽度为~16.3 nm、脉冲宽度为~8.5 ps的耗散孤子的形成过程。实验结果表明两种孤子光纤激光器在启动时都要经历驰豫振荡、调Q锁模状态、光谱展宽和稳定锁模阶段。因为两种孤子的形成机制不同,传统孤子锁模的启动过程中还会出现拍频现象,有时也会有短暂的束缚态过程,而在耗散孤子锁模过程中则有短暂的不稳定锁模状态,且调Q锁模时期的光谱两侧有因孤子能量过高而引起的强烈的褶皱。2.利用DFT技术,揭示了光纤激光器中双脉冲状态的形成和湮灭都有两种不同的演化途径。在可以输出稳定双孤子脉冲的光纤激光器中发现了双脉冲状态不仅可以经脉冲分裂形成还可以由两个脉冲同时锁模形成。此外,通过突然关闭泵浦光,研究了双孤子锁模状态在腔内增益突然减小至消失时的湮灭动力学,揭示了腔内的两个脉冲可以依次消失也可以同时湮灭。当腔内两个孤子脉冲的能量同时快速下降到某一阈值时能否出现一个有效的可以改变其中一个脉冲能量的扰动是导致两种不同湮灭方式出现的原因。3.实验研究了光纤激光器中不同束缚态的演化动力学,发现了不同束缚态的形成过程中孤子间的相互作用是不同的。通过调节泵浦功率和偏振控制器,在光纤激光器内得到了孤子间时间间隔恒定为~1.7 ps和~9.2 ps的束缚态,以及时间间隔在~8.2 ps附近振荡的稳健束缚态。使用DFT技术捕获了上述三种束缚态形成时的实时演化光谱,揭示了束缚态形成过程中复杂的孤子间相互作用及非线性现象。此外还研究发现了束缚态孤子在不同的泵浦功率下降速率下的湮灭过程是有很大差异的。4.研究了当泵浦功率下降时束缚态过渡演化为单孤子状态以及泵浦功率上升时单孤子状态演化为束缚态的动力学过程。实验发现因为孤子间存在着激烈的竞争,束缚态变为单脉冲状态的过程一般会伴随着其中一个孤子脉冲的湮灭。而单脉冲状态演化为束缚态的过程则会出现由调制不稳定性引起的脉冲分裂。两个过程中都有因复杂的孤子间相互作用而导致的孤子间时间间隔和相对相位的复杂变化。