锁模激光脉冲因其脉冲宽度窄、峰值功率高等优点在激光加工、生物医疗、激光测距、激光光谱学、光通讯等诸多领域得到广泛的应用。近些年，半导体可保和吸收镜(SESAM)锁模技术的发展成熟使被动锁模技术大量实用化。随着大功率锁模激光技术的发展，锁模激光振荡器直接输出功率不断提高，在一些领域已经可以满足使用要求。锁模激光脉冲重复频率由谐振腔长度决定。考虑到实现的难易程度，较常用固体锁模激光器谐振腔长度大约在1-3m之间，对应的脉冲重复频率在50-150MHz。目前许多实际应用需要的脉冲频率主要在MHz级甚至更低，而脉冲能量需求不断提高。腔倒空锁模激光器输出脉冲能量介于激光振荡级与放大器之间。应用腔倒空技术的锁模激光器在不改变谐振腔长度的情况下可以将大能量超短脉冲导出腔外，重复频率可以由腔倒空器调节。同时与主振荡级加功率放大激光器(master oscillator power amplifier MOPA)相比，它结构简单，经济高效。因此，腔倒空锁模激光器是很有研究价值的激光器类型。本文结合SESAM技术和带内泵浦技术，利用GM (gain in meddle)型谐振腔并通过优化参数，获得无后级放大的高平均功率(18W)皮秒激光输出。将腔倒空技术用于大功率锁模激光器中，得到大单脉冲能量(1.4μJ)，高重复频率(1MHz)腔倒空脉冲输出。1.介绍了锁模激光器的研究意义和应用前景，对目前主要的大功率锁模激光器和腔倒空锁模激光器的技术沿革和实现方式进行了总结概括。2.测量对比了Nd:YVO4晶体对808nm和888nm泵浦光的有效吸收系数。根据测量的结果，在LASCAD软件上进行晶体热应力模拟分析，指出888nm泵浦方式可以在晶体能承受的热应力条件下提供更高的注入功率。测量了两种泵浦方式下的激光器短腔输出功率，指出两种泵浦方式得到的短腔光-光转换效率接近。测量尺寸分别为4×4×15mm3和4×4×30mm3的Nd:YVO4晶体在888nm泵浦时的热焦距，根据测量的结果讨论大模体积端面泵浦全固态锁模激光器谐振腔的设计方法。调研并比较分析了GE (gain in end)和GM腔锁模激光器的特点，指出GM型谐振腔更适用于大模体积望远镜型锁模激光器中。用4×4×15mm3和4×4×30mm3，对应的掺杂浓度分别为0.5at.%和1at.%的Nd:YVO4晶体搭建了带内泵浦SESAM锁模激光器，获得了重复频率40MHz、最大平均功率13.5W和重复频率30MHz、最大平均功率18W的连续锁模脉冲输出。测量了耦合输出率固定时激光器输出脉冲宽度和线宽随泵浦功率变化的关系，并根据GM腔特点对其进行了解释。3.从速率方程出发，采用龙格-库塔法对再生放大器和腔倒空锁模激光器的输出脉冲动态过程进行了模拟计算。分析输出频率、小信号增益系数、损耗系数、谐振腔长度等参数对再生放大器脉冲动态特性的影响。在完全相同的参数条件下对比Nd:YAG、Nd:YVO4和Nd:YLF三种晶体作为再生放大器增益介质时脉冲动态特性差异。分析比较腔倒空激光器与再生放大器脉冲动态特性模型的差异，提出腔倒空锁模激光器边界条件的计算方法。分析了小信号增益系数、损耗系数、倒空率、谐振腔长度对腔倒空激光器脉冲动态特性的影响，根据模拟计算总结的规律，提出避免腔倒空激光器输出脉冲能量多周期的方法。4.进行高重复频率SESAM锁模腔倒空激光器实验，获得重复频率100KHz至1MHz单能量值腔倒空锁模脉冲输出。在重复频率1MHz时获得最大单脉冲能量1.4μJ，脉冲宽度30ps锁模脉冲输出。采用谐振腔内插入四分之一波片引入损耗的方法，比较实验和模拟计算结果，验证了腔倒空锁模动态模型对脉冲多周期现象模拟的有效性。