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飞秒激光脉冲的放大与频率变换是超快激光技术发展和应用的重要内容,在物理化学、生物医学、超精细微加工等领域有着重要的应用价值。近年来,随着超快超强激光峰值功率的不断提高,其已成为开展许多前沿研究的重要工具和手段。开展性能优良的飞秒脉冲激光放大器的研究与设计,扩展其功能,增强其输出参数,对于促进飞秒激光放大器的实用性发展及前沿应用研究都具有重要的现实意义。本论文围绕飞秒激光脉冲放大开展了一系列研究工作;同时,为了扩展超快激光的覆盖波段以满足不同应用研究的需求,进一步利用新型非线性光学晶体K3B6O10Cl（KBOC）,开展了紫外非线性频率变换的研究。论文的主要研究内容和取得的创新成果如下:1.论文在对啁啾脉冲放大（chirped-pulse amplification,CPA）系统中的主要单元模块——振荡器、展宽器、放大器及压缩器进行系统分析的基础上,首先详细分析计算了常用透射型光学元件的色散;其次利用光线追迹法对马丁内兹（Martinez）展宽器、平行光栅对压缩器进行了色散计算,获得了色散解析表达式,进行了相关的模拟;最后依据色散矢量图,提出了对整个CPA放大系统中的色散进行全局优化的方案,设计了相关算法,为CPA放大系统中的色散补偿,提供了理论上的参考依据。2.开展了新型高重频1 kHz飞秒钛宝石线形再生放大器的研究,设计并搭建了新型热稳定飞秒钛宝石线形再生放大器。实验结果不仅与理论相符,且证明了该再生腔型具有良好的热稳定性。在20 W泵浦功率下,实现了最高6.5 W的放大激光输出,对应效率为32.5%,经过平行光栅对压缩器压缩之后的脉冲宽度约为35 fs。3.进行了基于钛宝石薄片晶体的新型多通泵浦飞秒预放大器的研究。设计了铜钨合金热沉结构及钛宝石薄片晶体的焊接方案,并对钛宝石薄片晶体内的温度热分布以及在不同流速的水流冲击下,铜钨热沉的形变量进行了分析模拟。实验上,在7.1W平均功率、重复频率1 kHz泵浦下,使用厚度为2 mm、焊接在无氧铜上的钛宝石薄片晶体,通过6通泵浦获得了1.21 W的放大能量输出,对应放大效率约17%,光谱半高宽约为26 nm,脉冲宽度约为38.3 fs,光束质量M2≈1.1。实验表明使用钛宝石薄片晶体作为放大增益介质,不仅能保障再生放大的高效稳定运转,并且可以有效减小钛宝石晶体在激光放大过程中的热效应对光束质量的影响,显著降低系统的复杂性。4.首次进行了新型非线性光学晶体K3B6O10Cl（KBOC）的超短脉冲紫外频率变换研究。采用脉冲宽度为27 fs、单脉冲能量为0.8 mJ、重复频率为1 kHz的飞秒钛宝石放大器作为基频光光源,利用1 mm厚的KBOC晶体获得了最大输出功率为220 mW、中心波长为396 nm的倍频光,最高转换效率为39.3%,使用零色散TG-FROG（Dispersion-free transient-grating frequency-resolvedoptical gating）测量的倍频光脉冲宽度约为83 fs。5.采用我们自己设计搭建的热稳定1 kHz飞秒钛宝石再生放大器作为基频光光源,利用0.5 mm和1 mm长的未镀膜KBOC晶体分别作为倍频（Secondharmonic generation,SHG）和和频（Sum frequency generation,SFG）元件,首次获得了中心波长为263 nm的深紫外激光输出。SFG最大输出功率为5.9mW,相对于SHG功率,SFG转换效率约为4.5%。实验结果及KBOC的不潮解性、高损伤阈值、宽透射光谱等优良特性,使其在获得高功率、深紫外、超短脉冲激光光源方向具有良好的应用前景。