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2μm锁模激光光源因其在激光医疗、人眼安全雷达、环境监测和非金属加工等领域的广泛应用而受到极大关注。作为获得锁模脉冲的可饱和吸收材料之一的石墨烯,因在光学和电学方面优异的性能而在众多锁模材料中脱颖而出。目前,石墨烯锁模器件的构建方法通常可分为透射型和反射型两大类,但上述两种方法因存在调制深度低、难以实现全光纤化运行等显著缺点,因而不能实现大规模推广应用。基于上述的问题,本文通过研究光在微纳光纤中的传输原理,结合石墨烯材料的优异性能,设计了一种新型结构的石墨烯锁模器件,并在2μm掺铥光纤激光器中对其锁模特性进行了详细研究。首先,本文在阐述近十年2μm被动锁模光纤激光器的基础上,对锁模方式、锁模结构和增益光纤类型等进行了归纳和总结。以此为基础,本文确立了以环形腔为谐振腔、793 nm波长激光器为泵浦源、掺铥光纤为增益介质、自制的覆石墨烯锥形微纳光纤复合波导为锁模器件的整体方案。为优化输出激光质量,腔内还被加入隔离器保持光的单向传输、标准单模光纤提高激光峰值功率和超大数值孔径光纤来补偿腔内负色散。其次,根据整体方案的设计,本文针对掺铥光纤激光器的泵浦方案和最佳增益光纤长度进行了优化研究。研究表明,掺铥光纤激光器的泵浦方案主要有三种,即3H6-3H5,3H6-3F4和3H6-3H4。通过激发与跃迁过程的分析可知,3H6-3H5和3H6-3F4两种泵浦方案分别在输出光束质量和反转粒子形成的难度上较3H6-3H4泵浦方案不占优势。因此,本文在3H6-3H4泵浦方案的基础上建立了掺铥光纤激光器的速率方程模型,并研究了不同掺杂浓度情况下泵浦光功率和信号光功率沿掺铥光纤的分布情况。结果表明,在掺铥光纤激光器中,掺杂浓度一定时,掺杂光纤的长度存在最佳值,在该长度下激光器可以获得最大的输出功率,同时也为后续锁模掺铥光纤激光器系统的构建提供了理论依据。随后,考虑到锁模器件调制深度对锁模掺铥光纤激光器影响较大,因此本文利用单层石墨烯和锥形微纳光纤设计了一种新型结构的全光纤锁模器件。其中,锁模装置的核心器件由石墨烯和锥形微纳光纤组成,设计流程分为单层石墨烯的制备及拉曼表征、锥形微纳光纤的模拟及制作和复合波导锁模器件的构建及测试三部分。研究结果表明,利用石墨烯拉曼图谱G峰与2D峰的强度比证实了石墨烯为单层结构,而该复合波导锁模器件的调制深度测量值与相关文献的指标对比也说明了该锁模器件能实现稳定锁模。最后,利用前期设计的掺铥光纤激光器和复合波导锁模器件,本文搭建了基于锥形微纳光纤结构的2μm锁模掺铥光纤激光器系统平台。在净负色散区,实验得到了中心波长、全高半宽、重复频率、脉宽和信噪比分别为1992.17 nm、2.02 nm、6.92 MHz、563 ps和40 dB的传统孤子。继续增加泵浦功率,实验还观察到了多孤子（26）锁模脉冲输出,且各多孤子之间的产生和湮灭还存在明显的迟滞效应。在零色散附近,实验获得了中心波长、全高半宽、重复频率、脉宽和信噪比分别1986.27 nm、10.73 nm、10.06 MHz、812 ps和55 dB的色散管理孤子。通过色散管理技术,该锁模器件不但能在2μm掺铥光纤激光器实现稳定锁模,而且输出指标比工作在净负色散区时效果更好。