高速光脉冲取样是现代信息处理、高速光信号测量及光网络中信号质量监测的关键技术。本论文论述了高速光脉冲取样的原理和性能。建立了频差法光脉冲取样、异步光取样及基于时分光取样的光子模数转换实验装置。研制了作为光取样脉冲源的主动锁模和被动锁模光纤激光器；半导体光放大器环镜及超高速非线性干涉仪的光子开关，并进行了频差法光取样、异步光取样及基于时分光取样的光子模数转换的实验研究。论文第三章阐述了频差法光取样的原理，提出普适情况下采用固定频差法取样对取样模块中各单元性能参数的要求。在100MHz示波器上观测到10GHz光周期信号波形。提出并论证了以“低通滤波”理论模型为指导的取样宽度选取的设计依据。首次提出采用电吸收调制器代替常规的“取样光脉冲源＋高速光子开关”的取样组合，大大简化取样系统的结构，提高取样系统稳定性和可靠性，并进行了实验验证。论文第四章论述了信号幅度柱状图法估算取样信号误码率的原理和方法。在实验上获得了10GHz微波正弦信号异步取样柱状图和光信号的波形及频谱。分析了利用异步取样数据实现软件同步恢复从而获得随机码信号眼图的算法，为今后的应用研究打下基础。论文首次建立了采用鞍点近似法与数值算法相结合的取样系统误差分析模型，大大扩展了鞍点近似算法的适用范围，提高了误码率估算的可靠性。论文提出了基于时分取样方法的光子模数转换。分析了取样的主要误差源，并计算了取样脉冲质量对模数转换精度的影响。用光取样脉冲序列，通过微波相移和光延迟线方法，实现对2.5GHz和10GHz微波信号取样，并分别获得了接近5个比特和6个比特的模数转换精度。