超短脉冲激光器凭借窄脉冲宽度、高单脉冲能量、高峰值功率等优点,是卫星激光测距、微纳加工、激光手术等应用的重要工具,是中红外光参量啁啾脉冲放大、光学频率疏、阿秒产生等前沿性研究的基础。随着激光技术的日益发展,以晶体材料为增益介质的超短脉冲激光器能够提供焦耳量级的脉冲能量、拍瓦量级的峰值功率、近衍射极限的光束质量。由于晶体材料中的热效应,报道中输出的重复频率较低、输出的平均功率受到一定的限制。超短脉冲光纤激光器以其优良的散热性能、高增益等特点,能够输出上百瓦的平均功率。由于光纤中的非线性效应,报道中输出的重复频率较高,单根光纤所能获得的脉冲能量停留在百微焦量级。近年来,得益于光纤激光器的稳定性和晶体材料固体激光器的大能量,以锁模光纤激光器为前端、以晶体材料为放大级增益介质的技术方案被研究院所和公司广泛采用,发展十分迅速。单晶光纤是一种介于光纤和棒状晶体之间的增益介质,直径小于1 mm。其外表面非常低的粗糙度,使得泵浦光能够在单晶光纤内传导。由于泵浦光的波导作用,泵浦光以较强的泵浦强度在单晶光纤内均匀分布。近年来,单晶光纤以大于光纤的模场面积,优于棒状晶体的散热性能,高于石英玻璃的拉曼阈值等优点,受到了广泛的关注和研究,为放大器的研制提供了新思路。本课题研究的主要内容是保偏的全光纤结构被动锁模振荡器和高重复频率Yb:YAG单晶光纤再生放大器。之后,研究并探索了高重复频率再生放大系统在卫星激光测距、中红外2.8μm受激拉曼脉冲产生等领域的应用。本论文的研究工作主要分为以下几个方面:1.保偏的全光纤结构被动锁模振荡器的理论和实验研究理论上,分析了光纤色散对锁模脉冲特征的影响;研究了基于保偏光纤的非线性放大环路镜和非线性偏振旋转的锁模机制。实验上,在1.5微米波段,分别使用“环形腔”和“9字腔”搭建了保偏的全光纤结构被动锁模振荡器,分别实现了重复频率25 MHz、脉冲宽度650 fs和重复频率15.4 MHz、脉冲宽度700 fs的孤子脉冲;在1.03微米波段,使用“8字腔”搭建了保偏的全光纤结构被动锁模振荡器,实现了重复频率21.1 MHz,脉冲宽度5.3 ps的耗散孤子脉冲。2.高重复频率Yb:YAG单晶光纤再生放大器实验研究分析了镱离子掺杂的不同增益材料,权衡了各个增益介质的优点和缺点,最终选择采用Yb:YAG单晶光纤作为放大的增益介质;计算了基于单晶光纤的再生放大器腔型,数值模拟了高重复频率下再生放大器的多脉冲能量和倍周期效应。实验上,利用再生放大技术,放大了脉冲能量为190 p J的种子,尽可能地避免了复杂激光系统和长距离传输带来的不稳定因素,最终在重复频率200 k Hz和100k Hz下,分别获得了平均功率21 W和平均功率10.4 W的2.4 ps超短脉冲。脉冲宽度可以通过光栅对压缩到1 ps。3.高重复频率再生放大系统在卫星测距上的应用再生放大器输出的高能量脉冲是卫星激光测距的优良光源。运用高重复频率再生放大激光系统的卫星激光测距,以高采样速率、低统计误差等优点,处于前沿领域。通过对高重复频率Nd:YVO₄激光系统的研制,在上海天文台探索了高重复频率的卫星激光测距。所研制的激光系统,实现了100 k Hz～1 MHz重复频率可调谐的1064 nm皮秒脉冲输出,实现了在不同重复频率下14 W的平均功率输出。经过温度相位匹配倍频,获得了9.4 W的532 nm绿光平均功率,倍频效率为67%。