具有良好光束质量的高峰值功率的超短脉冲激光是基础科学和工业领域不断拓展新应用的重要工具。单链路光纤激光是产生高功率脉冲输出的一种手段,虽然具有热管理方便、光光转换效率高等特点,但是受限于非线性、模式不稳定等因素,难以在提升峰值功率的同时保持良好的光束质量。时域相干合成技术通过将多路较低功率的光束相干合束,实现高峰值功率、高光束质量的脉冲输出,成为研究的热点。本文以超短脉冲光纤激光时域相干合成为研究方向,重点研究了时域相干合成的光学系统、相位控制系统及相位控制算法。论文的主要工作如下:第一部分,说明了课题的研究背景及意义,调研了超短脉冲光纤激光时域相干合成的国内外研究进展,明确了本文的研究方向。第二部分,对光纤激光相干合成的理论进行了分析。光学方面对脉冲在光纤中的传输特性及放大器的理论基础进行了分析;相位控制方面对自动相位控制原理、组成和基本要求进行了分析。第三部分,首先概述并简要分析了主要的主动相位控制算法,在此基础上,以多抖动算法为重点,从波动光学原理出发推导出多抖动算法相位控制的数学模型。然后以两路光为例,研究了影响锁相稳定的参数,并以此推广到多路光束相干合成时的具体操作。最后,介绍一种在多抖动算法中自适应选取参数的方法。第四部分,开展超短脉冲光纤激光时域相干合成的研究。光学部分包括锁模振荡器、预放大级、脉冲分束级、主放大级和脉冲合束级。其中锁模振荡器的输出参数分别为:重复频率14.392 MHz;中心波长1064 nm;3-dB光谱宽度0.08 nm;脉宽34.5 ps;平均功率4.25 mW。相位控制系统部分,研究了以自动控制为原理搭建的基于多抖动算法的相位控制系统。在时域相干合成系统上,完成两路光束的相位锁定、自适应选参算法以及研究了功率大小及功率偏差对偏振态的影响。最终合成输出260 mW时,合成效率为85.2%。优化影响合成效率的因素,能够进一步提升系统的性能,实现更高功率、更高峰值功率的激光输出。