随着科学研究和工业应用对于超短脉冲激光器需求的日渐提高,高功率、高能量的锁模光纤飞秒激光器逐渐成为钛宝石锁模激光器的有力竞争者,得到了更多的关注。该种激光器进入工业化应用需保证良好的紧凑性、稳定性和低成本,而全光纤结构是最佳的解决方案。在该方案中,利用普通双包层掺镱光纤可以与目前商用化的光纤器件熔接,实现全光纤化,但是由于全光纤化中被动光纤的加入,增加了非线性效应,降低了激光器输出的最大单脉冲能量和脉冲质量。因此需要深入研究全光纤结构中脉冲形成和演化的动力学过程,优化结构参数,获得高能量、窄脉宽、高质量的激光输出。为此,本文通过对耗散孤子锁模机制的理论分析和脉冲演化过程的数值研究,提出了耗散孤子锁模激光器的非线性优化方法,在数值模拟与实验研究中得到了验证,实验获得直接输出数瓦量级的平均功率和几十纳焦耳的单脉冲能量,压缩后脉冲宽度可达66飞秒,并通过特殊设计的矢量色散补偿装置提高了脉冲质量。本论文的工作可以概括为以下几个部分:1,介绍了锁模光纤激光器的发展历史和高能量光纤锁模激光器的特点。阐述了锁模光纤激光器的脉冲演化过程,以及分析脉冲动力学过程的数值模拟方法。2,详细阐述了耗散孤子锁模机制脉冲演化过程中相位和振幅的平衡理论。根据平衡理论中色散与非线性相移的相互补偿关系,提出了一种AB-ratio的非线性优化方法,通过改变腔内无源光纤的分布从而优化腔内非线性相移积累程度,进而获得高单脉冲能量输出。在数值模拟中发现,该方法不但能够提高输出单脉冲能量,而且脉冲宽度基本保持不变,从而提高了峰值功率。3,搭建了一台耗散孤子锁模光纤激光器,利用AB-ratio的非线性优化方法获得了平均功率为3 W,单脉冲能量37 n J,压缩后脉冲宽度66 fs的稳定单脉冲运转。4,为了提高压缩后脉冲质量,实验中采用了矢量色散补偿装置,独立控制二阶色散与三阶色散的补偿量,在保持压缩效率基本不变的情况下大大压缩了脉冲基底,压缩后脉冲峰值功率为350 k W。5,最后,提出了在保持AB-ratio的基础上改变无源光纤长度以及频谱滤波器带宽对于输出单脉冲能量的影响。通过数值模拟的结果预测了在SMF-B=1 m、增益光纤长度为1.8 m、频谱滤波器带宽为25 nm的参数下,可以获得单脉冲能量为133 n J,去啁啾脉冲宽度小于50 fs的高能量超短脉冲。