纳秒脉冲光纤激光器由于结构简单、峰值功率高、单脉冲能量大等优点,在激光加工、激光测距、生物医疗检测、军事国防等领域具有重要应用。光纤激光器获得纳秒脉冲输出的传统途径是通过主动调Q、被动调Q或增益开关等技术实现。近年来,全光纤脉冲激光器利用掺杂光纤作为可饱和吸收体进行被动调制得到广泛的关注和研究。不同于传统的半导体可饱和吸收镜、碳纳米管、石墨烯薄膜、体块状晶体等可饱和吸收体,光纤可饱和吸收体能够实现真正意义上的全光纤结构,避免空间元器件的使用,减小谐振腔的损耗,易于集成,且成本低廉,能够实现一种紧凑、稳定、可靠的激光光源。然而,光纤可饱和吸收体用于被动调制产生脉冲激光时存在脉冲宽度比较宽、时间抖动和振幅抖动比较严重等问题,本课题致力于从理论和实验方面研究这种基于光纤可饱和吸收体的被动调制脉冲产生机制,结合新型的全光纤双腔设计,实现高功率纳秒脉冲激光的振荡器直接输出,并将这种脉冲产生技术推广到不同波段脉冲激光器的研制,这将对于高功率纳秒脉冲激光器的研究具有重要意义。本论文中具体的研究工作主要包括:1.全光纤纳秒脉冲双腔激光器数值模拟与动力学分析基于速率方程和传输方程,建立全光纤纳秒脉冲双腔激光器理论模型,研究全光纤双腔激光器的工作机理及其动力学过程。该激光器理论模型采用线形腔结构,谐振腔由光纤布拉格光栅和双包层掺杂光纤组成。这种脉冲产生机制主要利用光纤的可饱和吸收特性实现,同时结合双谐振腔的相互作用实现高功率纳秒脉冲的振荡器直接输出。此外,通过分析该激光器内部的动力学过程,深入研究腔内反转粒子数、泵浦激光和内外腔激光在不同位置、不同时刻的时域和强度演化过程,进而分析激光谐振腔参数设计与脉冲输出性能的关系。2.高功率掺镱全光纤纳秒脉冲双腔激光振荡器实验研究及理论分析在1μm波段,利用中心波长为976 nm的半导体激光器作为泵浦源,采用掺镱双包层光纤作为增益介质和可饱和吸收体,利用光纤布拉格光栅对构成双谐振腔,分别研制不同腔型设计(线型双腔和环型双腔)、不同工作波长搭配(1033nm、1040 nm、1050 nm、1060 nm、1080 nm等)、不同光纤芯径方案(芯径7μm、10μm、20μm)的全光纤纳秒脉冲激光振荡器,能够分别实现最窄脉冲宽度<50ns,最大平均输出功率>20 W,最大单脉冲能量0.48 mJ的稳定纳秒脉冲振荡器直接输出,并对该类脉冲激光器进行稳定性测试,包括时间抖动、峰峰值抖动和信噪比测试等。此外,结合线偏振激光的产生技术,采用全保偏结构设计并研制1μm波段线偏振输出的纳秒脉冲光纤激光器,能够实现瓦级平均功率,脉冲宽度<200 ns,偏振消光比>15 dB的稳定脉冲输出。3.1570 nm铒镱双掺全光纤纳秒脉冲双腔激光振荡器基于光纤可饱和吸收体和双谐振腔结构设计,将该脉冲产生机制进行波长拓展,在1.5μm波段采用包层泵浦的线型双腔结构,利用单模双包层铒镱双掺光纤作为增益介质和可饱和吸收体,同时结合谐振腔间的相互作用,实现平均功率2.2 W、最窄脉宽173 ns的1570 nm脉冲激光输出,重复频率在14 kHz-156 kHz范围内可调。4.全光纤纳秒脉冲双腔激光器应用研究对光纤芯径10μm方案的20 W全光纤纳秒脉冲双腔激光器进行光机电一体化设计并完成样机的封装集成;设计电路驱动与控制系统完成双腔激光器的兼容性改造实现软硬件通信;结合商用打标控制卡、振镜系统等组件对双腔激光器进行光电性能测试,然后利用该打标系统对不同材料进行打标实验并分析其加工效果。