光纤激光器以其结构紧凑、经济实用、增益特性好、转换效率高、阈值低以及稳定性高等优点而吸引了广泛且深入的研究,在如光学频率梳、光纤传感、激光加工等科研和工业生产领域得到了大量的应用。光纤激光器中的传统色散孤子通常工作在反常色散区,利用腔内反常色散和非线性效应的平衡实现脉冲的稳定。然而受孤子面积理论限制,色散孤子的能量通常限制在0.1nJ左右,更大的脉冲能量将导致光波分裂。近年来,工作于正常色散区的耗散孤子脉冲光纤激光器引起了研究者的极大兴趣。耗散孤子脉冲的建立依赖于激光器系统的增益和损耗的平衡,因为物理规律不同而突破了色散孤子光纤激光器中的能量限制,因此基于耗散孤子脉冲的研究对于光纤激光器而言具有深远的实际意义和广阔的应用前景。本论文的工作主要围绕一种新型的耗散孤子光纤激光器——被动锁模方波脉冲光纤激光器展开研究。这种新型光纤激光器具有顶部平坦、前后沿陡峭的输出脉冲,当增大泵浦时单脉冲能量随泵浦功率线性地增大而输出脉冲仍保持方形。本文主要研究了这种方波脉冲的形成机制,脉冲峰值功率、脉冲宽度以及光谱等激光输出特性与谐振腔参数之间的关系。具体研究内容如下：1. 实验研究了8字腔结构被动锁模光纤激光器中方波脉冲脉宽及峰值功率与腔参数的关系,采用双泵浦的8字腔结构光纤激光器首次获得了脉宽在5.6-30.4ns,峰值功率从4.5W到8.3W的范围内独立连续可调的方波脉冲,并使用非线性薛定谔方程从理论上分析了这种方波脉冲的产生机理,从增益饱和效应的角度讨论了方波脉冲的脉宽调谐以及峰值功率调谐的现象。2. 实验研究了1.5μm波段方波脉冲斩波后的光谱变化,通过观察在方波脉冲不同部位斩波后的光谱结果分析了方波脉冲的啁啾特性,对已有的方波脉冲斩波实验研究进行了补充。3.研究了1.0μm波段8字腔结构方波脉冲光纤激光器的光谱特性,提出了两种在1.0μm波段8字腔结构的光纤激光器中获得宽光谱方波脉冲的方法。其中,引入大色散的方法可得到脉宽在百纳秒量级可调、3dB谱宽接近1nm的较宽光谱方波脉冲；引入非线性效应的方法得到脉宽在十纳秒量级可调,3dB谱宽约2.4nm,顶部平坦且稳定,前后沿陡峭的方波脉冲。4.采用双光束干涉的方法研究了不同激光器输出的相干特性。发现了1.0μm波段窄光谱方波激光器与1.0μm波段较宽光谱方波激光器输出脉冲在相干特性上的差异,并使用非线性薛定谔方程从理论上分析了这两种方波脉冲相干性不同的内在原因,揭示了1.0μm波段宽光谱方波与窄光谱方波不同的形成过程。5.针对被动锁模光纤激光器自启动困难、意外丢失锁模状态后无法自动找回锁模状态的问题,设计并搭建了具有激光器状态监测、稳定锁模状态识别和自动寻找锁模状态功能的被动锁模光纤激光器反馈控制系统。本论文的主要创新点：1.提出了一种新型的双泵浦结构8字腔光纤激光器,首次获得了脉冲宽度与峰值功率均可调谐的方波脉冲。并通过数值模拟分析了这种方波脉冲的产生机理,从增益饱和效应的角度解释了方波脉冲的脉宽调谐以及峰值功率调谐的现象。2. 实验研究了方波脉冲光纤激光器的光谱特性,提出了两种在1.0μm波段8字腔结构的光纤激光器中产生较宽光谱方波脉冲的方法。3. 采用双光束干涉的方法研究了1.0μm波段光纤激光器输出方波脉冲的相干特性。发现了窄光谱方波脉冲与较宽光谱方波脉冲在相干特性上的差异,并使用非线性薛定谔方程分析了这两种方波脉冲的形成过程及其相干性不同的内在原因。