光纤激光器凭借其在结构和性能上的双重优势,吸引了众多学者的深入研究。在原理和技术上,近些年取得了突破性的发展。作为脉冲激光器的一种,锁模光纤激光器,由于可以产生超短脉冲(ps甚至fs),近些年备受关注,其主要发展方向有高功率和高能量。这两个方向上,光纤激光器都不可避免的遇到一个问题：由于光纤激光器内脉冲的传输集中在一个较小的面积上(直径一般小于10μm),高功率和高能量都将带来较高的功率密度,引发强烈的非线性效应,最终导致脉冲分裂。为了提高激光器的性能,目前主要的两个方案,一是增加模场面积,是脉冲功率和能量分布在更大面积上,从而减弱非线性效应,另一个就是基于腔改进,也近些年研究的热点：大正常色散和全正常色散激光器。通过大正常色散不断的展宽脉冲,从而减弱脉冲的峰值功率,最终降低非线性。结合这两个方案,目前单脉冲能量已能达到μJ水平,平均功率水平可达近千瓦。本文即是围绕着全正常色散腔的掺镱光纤激光器和大正常色散的掺铒光纤激光器展开。文中针对此类激光腔,提出了一种腔优化方案,以有利于输出能量的提升。并最终使用所得高能量脉冲进行了相应的倍频实验。本文的主要研究工作及成果有：1.基于光脉冲在光纤中时域特性的研究,对通过引入大色散实现高能量脉冲的理论模拟进行了研究。2.研究了基于非线性偏振旋转效应的全正常色散全光纤掺镱被动锁模激光器,提出了一种腔结构优化方案,包括泵浦方式,输出位置,放大器后光纤长度和输出耦合比。获得了输出能量随输出耦合比线性增长的关系。在较高的输出耦合比95%时,获得了460mW的平均功率,单脉冲能量达350nJ。3.研究了全正常色散腔的掺镱激光器输出能量和腔长的关系。实验采用了高达90%的耦合比输出,以减少腔内非线性。在320mW泵浦功率,2Km长的超低重频激光器中,获得了1.1μJ的单脉冲能量。4.研究了基于非线性偏振旋转效应的掺铒全光纤激光器,并对其腔结构作了相似的优化。在大正常色散区,结合使用高耦合比和放大器后短光纤,在95%的耦合比时,获得了250mW的平均功率。同时,通过减短提供正常色散的掺铒光纤,调谐腔内净色散在较小值,结合小耦合比输出,获得了3dB带宽58nm的宽光谱锁模脉冲,覆盖C+L波段的平坦光谱。5.基于所得的中心波长在1560nm、1064nm高能量锁模脉冲,利用PPLN晶体和波导结构PPLN,获得了780nm、532nm的倍频光,并提出一种全光纤结构的倍频方案。本论文的主要创新点：1.提出并验证了一种普适于大正常色散激光器的腔优化方案。通过提高输出耦合比,并减少放大器后光纤长度,实现了腔内非线性的减弱和腔外输出能量的提升。在95%高耦合比输出时,获得了单模激光器最高平均功率460mW,单脉冲能量354nJ也是非超长腔锁模激光器中最高。2.基于超长腔全正常色散被动锁模激光器,获得了超过1μJ的能量输出。3.基于色散调谐的宽光谱掺铒激光器,提出耦合比优化方案,在小净色散腔结合使用小耦合比输出,获得了3dB带宽58nnm宽光谱输出。4.基于所得的高能量脉冲,实施了倍频实验,获得了780nm、532nm的倍频光,并提出了一种全光纤的倍频方案。