高功率超短光纤激光是超快激光研究领域的重要内容和前沿课题之一。与常规的连续光纤激光相比,它具有更高的峰值功率,更窄的脉宽输出,以及更宽的光谱范围;与全固态激光相比,它具有更佳的散热性能,更紧凑的封装设计,更低的制造成本,以及更优的光束质量,因此在精密加工、天文光梳、阿秒科学、医疗检测与军事国防等诸多领域中具有广泛应用。本论文主要围绕高功率超短光纤激光系统的搭建与光纤非线性效应的控制展开了一系列研究工作,进一步提升了超快光纤激光的功率输出,减小了脉冲宽度,提高了单脉冲能量。另一方面,进行了超短脉冲测量装置的设计研发,具有波长不敏感优点;同时开展了中红外超宽光谱的产生实验研究,具有载波包络相位被动锁定特点。论文的主要研究内容和创新性成果如下:1、首先从原理上探讨了几种光纤锁模技术的优缺点,随后根据自身需求与实验条件,搭建了一套基于非线性偏振旋转技术的空间型掺镱光纤锁模振荡器。通过调节谐振腔内的衍射光栅间距和角度等重要参数,实现腔内总色散量的控制,同时精细优化腔内各元件参数,包括增益光纤长度,波分复用器带宽等,成功获得了自相似锁模脉冲序列输出,具有自启动锁模功能。脉冲输出平均功率35 mW,重复频率49.5 MHz,中心波长1035 nm,光谱半高宽20 nm,腔外无压缩情况下测得脉冲宽度4 ps。该光纤振荡器可以稳定锁模六个月以上,体现出优良的抗干扰能力,对环境温度、湿度变化等外界影响具有较高的容忍度,非常适合作为高功率掺镱光纤放大器的种子源。同样基于非线性偏振旋转技术,搭建了一套空间型掺铒光纤锁模振荡器。振荡腔内无色散控制元件,锁模脉冲为孤子型,光谱具有明显的Kelly边带结构,重复频率41.8MHz。该振荡器小巧紧凑,具有自启动锁模功能。在260 mW的泵浦功率下,空间输出平均功率15 mW,20%的光纤耦合器输出10 mW,未经腔外压缩,测得的脉冲宽度为305 fs。目前用于进行镱、铒振荡器的被动同步实验,可用于后续的双光梳系统与载波包络相位锁定的中红外差频实验研究。2、为了获得高功率脉冲输出,使用上述自建的掺镱光纤振荡器作为种子源,开展了光纤啁啾脉冲放大CPA研究。首先将空间光耦合入单模光纤,利用一段20 m的保偏无源光纤作为展宽器,将脉冲从4 ps展宽至21 ps,随后使用一级单模光纤预放大与一级双包层光纤放大,将脉冲平均功率放大至6 W,最后使用一对1000线/mm的衍射光栅将脉冲压缩至110 fs,平均功率5 W。进一步追求更短脉冲输出以及更高功率,采用预啁啾管理放大PCMA技术进行后续放大。首先保留主放大前的一对衍射光栅用以调节信号光的色散大小和符号,结合大模场棒状光子晶体光纤,在功率放大的同时展宽脉冲光谱,将功率放大至49 W,随后使用1000线/mm透射光栅对将脉冲压缩至61 fs。为了提高压缩效率与脉冲光束质量,提出将光栅对替换为高色散的啁啾镜方案,最终在6片啁啾镜的作用下,脉冲压缩至55 fs。该研究成果国内首创,并在国际会议上报道。为了进一步提高光纤激光的单脉冲能量,同时避免光纤的自聚焦效应,采用圆偏振放大技术,将光纤中的非线性强度降低到原来的2/3。增加泵浦注入后进一步提升脉冲功率,最终在6片啁啾镜压缩情况下,获得了平均功率85 W、脉冲宽度42 fs的输出结果,对应单脉冲能量超过1.5μJ,脉冲压缩效率大于99%。3、首先原理上阐述了单次自相关的测量原理,随后自主设计研制了一套单次自相关测量装置,并利用该装置对重复频率1 kHz,脉冲宽度30 fs的钛宝石激光放大系统进行了脉冲宽度测量实验。目前已经得到初步测试结果,商品化样机的搭建与完善还在进一步研究中。另一方面,搭建了一套基于瞬态光栅的频率分辨光开关测量装置。该测量装置对传统光路进行了简化升级,可用于10 fs以下不同波段、超宽谱脉冲的超短激光脉冲测量,可同时得到脉冲的时域脉宽与频域相位信息。为验证其实用性,利用该装置进行了钛宝石激光放大器,二倍频,以及周期量级超连续光谱的脉冲宽度测量,并与商用脉冲诊断仪器SPIDER和干涉自相关仪进行了实验对比,测量结果接近。4、基于固体薄片产生超连续实验,国际上首次开展了自差频产生中红外宽光谱脉冲输出的研究,成功得到了光谱范围覆盖1300~2500 nm的近倍频程中红外光谱。该激光脉冲可用作光学参量啁啾脉冲放大的种子源,乃至后续高能量单阿秒的前沿探索。同时还数值计算了频率变换过程的光谱演化与效率变化结果,可用于指导实验。