超短脉冲激光技术提供了高时间分辨率,高频率精度的测量手段,极大的提高了人类探索自然界规律的能力,成为探索、揭示微观世界规律的前沿科学与高新技术的基点和关键。本论文主要围绕超短脉冲激光的时-频域精密控制开展研究工作。在激光时域控制上,探索了锁模超短脉冲激光器的原理与结构,研制了超短脉冲飞秒光纤激光器,获得了超短脉冲激光源,为精密时-频域控制提供了种子源。在时域同步控制上,探索了基于非线性交叉相位调制的超短脉冲全光同步技术,完成了谐波锁模激光,多波长锁模激光,纳秒方波锁模激光与超短脉冲激光之间的同步,并研究了同步锁模超短脉冲激光应用于单光子频率上转换探测实验的相关问题。在激光频域控制上,研制了50 W平均输出功率载波包络偏移频率稳定的超短脉冲激光系统,为紫外光学频率梳的产生奠定了基础。本学位论文的主要成果包括：1.时域上,超短脉冲激光产生是开展精密时-频域控制的基础。基于激光锁模原理,首先完成了超短飞秒脉冲光纤激光器的研制工作。1)利用光纤内的非线性偏振旋转效应,完成了超短脉冲锁模掺铒光纤激光器的研制。当腔内的色散为负值时,激光腔内的脉冲光以孤子波方式运转,脉冲的峰值功率被限制,脉冲宽度较宽。当引入色散管理手段后,通过展宽脉冲锁模方式,获得了宽度为92 fs的超短脉冲激光输出。2)完成了非线性偏振旋转锁模掺镱光纤激光器的研制工作,提出了在腔内插入掺铒光纤方式提供附加饱和吸收的方案,有效的抑制了激光腔内的脉冲分裂,得到了41 fs单脉冲运转的超短脉冲激光输出。2.当不同波长的两束激光在同一光纤内传输时,由于交叉相位调制作用,一束光会使另一束光的非线性折射率发生变化,导致非线性偏振旋转。在此现象基础上,开展了时域上脉冲激光的精密同步工作。1)利用主-从模式的腔结构,完成了谐波锁模的掺铒光纤激光器与锁模Yb:GSO激光器的同步。同步激光器腔长失匹长度达14 mm,有效的抑制了外界扰动对同步系统的干扰。并且在腔长失匹较大的情况下,脉冲呈现堆积展宽现象。利用该现象可应用于超短脉冲整形,光参量啁啾脉冲放大等领域的工作。2)利用部分光谱放大和交叉相位调制技术完成了800 nm,1030 nm,1550 nm三波段飞秒超短脉冲激光同步。800 nm,1030 nm脉冲之间的时间抖动为0.55 fs,1030 nm,1550 nm脉冲之间的抖动为8.3 fs。3)利用长腔激光器中的峰值功率钳位效应,获得了脉冲宽度为5.5 ns的方波脉冲锁模掺铒光纤激光器。并利用交叉相位调制技术,以全光方式实现其与超短脉冲锁模掺镱光纤激光器的同步。同步激光器腔长最大失匹为2.6 mm,脉冲之间的时间抖动为4.3 ps。4)利用同步超短脉冲锁模掺铒、掺镱光纤激光器,完成了高速脉冲泵浦方式的单光子频率上转换探测实验,单光子转换效率达31.2%。3.在精密频域控制上,开展了高功率、高重复频率超短脉冲激光的载波包络偏移频率稳定工作。通过双包层光子晶体光纤放大技术,获得了50 W平均功率输出的超短脉冲激光。利用交叉参考的拍频方式,完成了超短脉冲的载波包络偏移频率探测,并通过锁相环电子反馈电路,实现了偏移频率的精密锁定。锁定后的开环偏移频率线宽为2.27 mHz,脉冲载波包络相位噪声为0.72 rad,对应的时间抖动为300 as。此项工作为今后开展紫外光学频率梳的研究奠定了基础。