超短脉冲光纤激光器因具有短脉宽、高功率、高脉冲能量等优势,在超快光学、材料加工、通信、生物医学等诸多领域发挥着无可替代的作用。其中,工作在2μm波段的掺铥(Tm³⁺)光纤激光器,因其位于人眼安全区域以及大气窗口,在大气遥感、激光医疗、中红外超连续谱等方面有着独特的应用前景,成为激光领域的研究热点之一。目前,皮秒量级掺Tm³⁺脉冲光纤激光器的性能和稳定性都已取得了较大的进步,但要朝着更窄的飞秒脉冲方向发展,还需要进一步研究锁模理论和锁模方法。非线性偏振旋转（NPR）锁模光纤激光器因其结构简单、响应时间短、可输出峰值功率极高的超短脉冲而成为一种理想光源。本论文的主要工作是对基于NPR锁模的超快掺Tm³⁺光纤激光器进行研究。分析了NPR锁模光纤激光器的工作原理和特性,其中,通过琼斯矩阵的推导分析了光脉冲在NPR光纤激光谐振腔内的传输函数,得知该激光腔内存在可调谐滤波效应。该滤波效应由光纤双折射导致的非线性偏振旋转引起,可用于实现多波长光纤激光器。本文中从数值模拟和实验两方面对该滤波特性进行了研究,结果表明其周期性滤波带宽与腔内光纤长度、双折射系数有关,同时其中心波长受光场的不同偏振分量的相位差影响。在NPR被动锁模掺Tm³⁺光纤激光器的研究中,取得的主要成果如下:通过对NPR被动锁模掺Tm³⁺光纤激光器的谐振腔进行优化,在全光纤的掺Tm³⁺光纤激光器中实现了350 fs,7.8 nJ的高质量孤子脉冲输出。该激光器的中心波长位于1.89μm波段,工作在全反常色散区域,腔内没有引入任何色散补偿器件,如此高能量的飞秒孤子脉冲远领先于其他同类掺Tm³⁺锁模光纤激光器的相关指标。该高性能掺Tm³⁺光纤激光器的实现得益于腔长和耦合器输出比例的优化,并采用双向泵浦的方式增加了泵浦效率。此外,该光纤激光器的平均功率和脉冲峰值功率分别为90 mW和22.3 kW。输出脉冲处于稳定的单脉冲状态,其高脉冲能量的产生一方面由于单模光纤在2μm波段有大色散且非线性较弱,另一方面归因于高阶孤子的产生。同时,孤子脉冲光谱平坦光滑,无明显凯利边带,这归因于NPR效应破坏了光谱边带形成的相位匹配条件,从而有效抑制了凯利边带的产生,提高了脉冲功率和质量。本文的意义在于通过对高功率飞秒掺Tm³⁺光纤激光器的研究,全面掌握了实现高性能飞秒光纤激光器的关键技术,为研制结构简单、稳定性好且实用化的全光纤飞秒激光器奠定了理论和技术基础。