超短脉冲激光技术研究是激光科学的重要研究内容之一。本论文在全面总结超短脉冲及其相关技术的发展历史和研究现状的基础上，进行了飞秒、皮秒激光脉冲产生、放大及频率变换的有关研究，所完成的工作主要包括以下五个方面： 首先我们在研究飞秒掺钛蓝宝石激光器的锁模机理，谐振腔的设计和系统色散的优化基础上，建成了一台自启动的低阈值飞秒钛宝石激光器，在系统分析影响锁模阈值的各种因素的基础上，采用紧聚焦腔设计，并用宽带低损耗的SESAM作为锁模启动元件，在12％和3％的输出耦合下，实现了泵浦功率分别低至600mW和390mW的锁模阈值，据我们所知，这是SESAM实现锁模运转的最低的泵浦功率，该激光器有望大大降低了飞秒激光器的成本，而且易于操作，有利于飞秒技术的推广，这部分的工作主要在论文的第二章中。 第三章主要研究了皮秒激光脉冲的产生、放大以及频率变换。按照增益介质的不同，分别研究了掺钛蓝宝石激光和Nd：YAG激光皮秒脉冲的产生和放大。首先我们以SESAM为锁模启动元件建成了一个21ps的掺钛蓝宝石皮秒激光器，通过再生放大将能量放大到了2mJ,并进一步通过采用一个5通主放大设计，将能量放大至60mJ,最后将放大后的800nm的皮秒光用LBO晶体倍频后泵浦BBO晶体，实现了460～760nm的参量输出。另一方面，我们采用声光锁模器实现了10W的Nd：YAG激光连续锁模脉冲输出，其锁模器的驱动频率为41MHz，对应锁模脉冲的重复频率为82MHz，通过采用锁相环电路精确控制腔长，保证了稳定的锁模运转。进而通过再生放大器将1064nm的脉冲放大至0.3mJ,得到了大于105的放大倍率。 第四章主要从理论上和实验上研究了啁啾脉冲的放大。首先从理论上推导了脉冲放大通量的迭代方程，通过编程计算分析了各种因素对放大结果的影响。在此基础上，设计了一个8通预放大器，在50mJ的泵浦能量下获得了大于5mJ的放大脉冲输出，并研究了多脉冲放大的可行性，证明几个脉冲同时获得放大是可行的，这在激光等离子通道的产生等强场物理研究中具有重要的意义；同时我们还研究了预防大中ASE的抑制，根据ASE的特性，分别从空间上，时间上和光谱上对ASE进行了有效的抑制，使脉冲对比度达到了10。最后，设计了一个双向泵浦的六通放大器，在两个1.3J的泵浦光下，获得了大于的1J放大脉冲，对应的放大效率为38％。 第五章主要进行了高功率宽带飞秒脉冲激光倍频的理论和实验研究。从理论上分析了三阶非线性系数、群速失配、群速色散、基波的自相位调制以及初始啁啾等对倍频效率的影响，在实验上分别研究了LBO、BBO和KDP的高功率飞秒倍频特性，比较了KDP用于高功率宽带倍频的优点，并设计了Ⅰ类相位匹配下布儒斯特角切割的KDP晶体，该设计免去了繁杂的镀膜过程，并且提高了晶体的使用寿命。实验中BBO和KDP的倍频效率分别为34％和26％，本论文也首次分析了脉冲宽度对倍频效率的影响，指出脉冲带宽在30fs以下时，很难得到50％以上的转换的效率。 第六章在以上分析的基础上，我们自行建造了一台KHz泵浦的20TW的掺钛蓝宝石激光放大系统。该系统针对低重复频率运转下，光束质量差、能量稳定性不好的弊端，采用KHz的YLF激光器作为再生放大的泵浦源，得到了2.3mJ的稳定的放大脉冲，我们用两个1.3J/10Hz/532nm的Nd：YAG激光器作为泵浦源，通过一个六通主放大器后，获得了大于1J的放大输出，最后将放大光束扩束到30mm后进入真空压缩器中，压缩器的效率为67％，优化色散补偿后将脉冲压缩到了33fs，对应的峰值功率为20.3TW。