周期量级脉宽的红外激光脉冲因在超快光谱学、阿秒科学和强场物理等领域的重要应用而成为了近年来国内外研究的热点问题。光参量放大技术依靠其增益系数高、增益带宽大、频率可调谐性强以及热效应积累可忽略等优异特点成为了最有效的产生可见光至中红外波段超短超强脉冲的手段之一。针对周期量级脉冲的超大频谱带宽、可调谐性、脉冲能量等各方面需求,本文开展了以下方向的研究：提出了补偿群速度失配的双晶体光参量放大方案。利用不同晶体的色散特性强化超快光参量放大过程中相互作用的泵浦光、信号光和闲频光脉冲间的时间重合,同时提升系统的增益效率和带宽。该方案可以在1200纳米至1500纳米、1700纳米至2100纳米的非简并波段高效地产生宽带周期量级脉冲,其中,中心波长为1300纳米的信号光脉冲宽度小于三个光周期,能量转换效率达25%,脉冲信噪比、对比度、光束质量均得到了优化。此外,中红外2100纳米的闲频光脉冲具有小于两个光周期的脉宽和较高的CEP稳定性。实验研究了双晶体光参量放大系统的性能。在实验参数与仿真相同的情况下验证了系统原理,实验结果与理论研究结果很好地符合。进一步优化实验参数后,在1300纳米的中心波长获得了35微焦的宽带信号光输出脉冲,直接得到了20飞秒的脉冲宽度,所得频谱带宽达210纳米,支持12飞秒的极限脉宽,小于三个光周期,光束质量良好。提高泵浦光能量,在保持频谱带宽的情况下能够获得更高的能量转换效率。本系统在1150纳米至1400纳米的中心波长可调谐范围内可以产生宽带输出脉冲。由于超短脉冲间的时域重合得到强化,本方案很适合应用于多块非线性晶体级联放大的系统中,进一步提升光参量放大的能量转换效率。提出了双泵浦光参量啁啾脉冲放大方案。采用啁啾补偿方案在光参量啁啾脉冲放大过程中提升相位匹配带宽,向两个泵浦光脉冲分别加入相反的啁啾和延时,调整啁啾泵浦光和啁啾种子光的瞬时频率对应关系以拟合相位匹配曲线,在简并波段附近获取宽带增益。输出信号光频谱覆盖了1300纳米至2100纳米的超宽范围,支持9.0飞秒、小于两个光周期的极限脉宽。仅通过补偿信号脉冲的时域线性啁啾,脉宽可以被压缩到接近极限脉宽的10.1飞秒。系统能量转换效率高达22.6%,同时输出光束在空间上具有良好的光束质量和可聚焦性。通过进一步展宽入射的泵浦光和种子光,该方案具有极高的能量可扩展性。提出了基于多焦距光束的激光成丝方案。将不同焦距光束的空间相位叠加,利用空间光调制器将叠加的空间相位和振幅调制到初始的准直光束中形成多焦距光束。多焦距光束的传播特性严格地受到初始空间相位的控制,有限的脉冲能量得到了高效利用。该方案仅需要2毫焦的入射脉冲能量,所得激光光丝长度比起单焦距光束提高了一倍。输出频谱覆盖从可见光到中红外波段的宽带范围,支持约三个光周期的极限脉冲宽度。该方案适用于其他类型的介质,具有极高的产生宽带超连续谱的潜力。