掺铥光纤激光器工作在2μm中红外波段,其发射谱含有两个大气窗口和一个强水吸收峰,因而在红外制导,光电对抗,生物医学,遥感探测等军用、民用领域应用广泛。随着中远红外波段应用领域的不断扩大以及2μm波段光纤器件的快速发展,掺铥光纤激光器也已成为国内外前沿性研究热点。本文主要研究非线性偏振旋转锁模方式下的铥掺杂光纤激光器的脉冲输出特性。并以方波脉冲为基础,从正负色散介质两方面探究脉冲形成机制,进而分析耗散孤子共振脉冲、类噪声脉冲、h型脉冲以及多波长脉冲产生的原因。本文基于掺铥光纤激光器,首先总结了光纤激光器的发展情况以及耗散孤子激光的最新研究状态,其次在光纤激光的基本理论中介绍了铥离子能级结构及其激光泵浦方式,并从麦克斯韦方程出发推导了非线性薛定谔方程,同时对分步傅里叶数值求解方法进行了详细介绍。然后通过建立的数值模型,模拟仿真了正负色散区方波脉冲的产生过程,研究了耗散孤子共振脉冲和方波类噪声的形态特性。最后设计搭建了双向泵浦掺铥全光纤激光器,实现了方波脉冲和h形脉冲的产生;并分析了h形脉冲和多波长脉冲的形成机制,从三阶色散和双折射两个方面对实验得到的特殊脉冲形态作出了解释。本文通过数值模拟发现了非线性偏振旋转锁模方式对正负色散区脉冲输出的调制作用。从两种方波脉冲的共性中得出:耗散系统中增益与损耗的平衡机制占主导地位,类饱和吸收机制中的负反馈激光运转对方波脉冲形成有关键作用。从两种方波脉冲的差异中发现:自相位调制和色散的关系决定了脉冲内部结构。在实验上,获得了一系列纳秒级方波脉冲,得到的方波脉冲谐振现象表明激光器工作在负反馈区。通过分析发现h型类噪声脉冲的形成源于高阶色散,由此导致脉冲形状在某些偏振态下不对称,而实验中的光纤双折射导致了方波脉冲光谱中的多峰结构。高阶色散不仅会影响时域脉冲形状还会造成频域多峰结构的不对称。以上结果对于进一步研究类方波脉冲的产生、改善脉冲质量、增强对脉冲信号的调制作用、扩展其应用具有重要的意义。