超短脉冲光纤激光器具有结构简单、平均功率高、峰值功率高、环境稳定性好、电光效率高等优点,在精密加工、激光传感、波导刻蚀、阿秒科学等领域具有广泛应用。被动锁模技术作为获取超短脉冲输出的重要手段之一,在过去几十年里得到了飞速发展。近年来,为了获取高功率超短脉冲激光输出,并充分发挥光纤激光器及光纤放大器的优势,基于全光纤光源及自由空间脉冲压缩器的光纤啁啾脉冲放大(FCPA)技术得到了广泛的关注和研究。同时,基于非线性频率变换技术的新型超短脉冲光纤光源及单片式啁啾体布拉格光栅(CVBG)脉冲压缩器的发展也为光纤啁啾脉冲放大系统的研制提供了新的思路。本课题致力于研究高功率超短脉冲光纤激光器,使用基于全光纤设计的高功率光源和基于自由空间器件设计的脉冲压缩器,在充分发挥光纤激光器结构紧凑、柔性传输等优点的基础上,进一步减少空间元器件的应用,力求最大限度的发挥光纤激光器的优势,实现高平均功率、高峰值功率和高系统集成度的飞秒脉冲激光输出。本论文中具体的研究工作主要包括:1.全光纤被动锁模皮秒脉冲激光产生的理论和实验研究从非线性薛定谔方程出发,推导并分析了超短脉冲传输的动力学过程以及在光纤内产生的线性及非线性效应。在全光纤结构下对所搭建的多种皮秒脉冲被动锁模技术进行了理论及实验研究,包括全正色散环形腔非线性偏振旋转被动锁模技术、线形腔SESAM被动锁模技术、环形腔SESAM被动锁模技术及色散管理环形腔被动锁模技术等。通过以上技术手段在1030~1070 nm波长范围内分别实现了脉冲宽度1~100 ps的激光输出。2.全光纤皮秒脉冲放大技术的理论和实验研究对1μm波段掺镱光纤放大技术进行了理论及实验研究。从镱离子能级结构、吸收/发射截面及放大器增益和带宽等方面系统研究了光纤放大器的工作机理和优化途径,同时为了提高放大效率、减少信号光重吸收效应,采用速率方程对激光放大过程进行了数值模拟和方案设计。利用全光纤皮秒脉冲锁模激光器作为种子源,分别建立了高功率和高能量超短脉冲掺镱光纤放大器。在1030 nm波段利用三级掺镱光纤放大器直接放大,实现了平均功率101 W、中心波长1030.4 nm、脉冲宽度36.6 ps的激光输出。在1064 nm波段,利用长光纤脉冲展宽器及AOM脉冲选择器,对光纤放大器内激光重复频率及脉冲峰值功率进行控制,实现了平均功率131 W、中心波长1064.1 nm、脉冲宽度800 ps、单脉冲能量72μJ的激光输出。3.高平均功率皮秒光纤啁啾脉冲放大系统研究在1μm波段高功率皮秒啁啾脉冲放大技术的理论研究中,首先详细分析并推导了衍射光栅对脉冲压缩器的工作原理,接着利用Fiberdesk软件模拟了全光纤脉冲展宽器的工作过程,在不同入射功率下,对脉冲宽度和光谱宽度的变化趋势进行了研究归纳。在实验阶段,利用SESAM被动锁模种子源、长距离光纤展宽器、三级包层泵浦掺镱光纤放大器和透射式衍射光栅对脉冲压缩器搭建和调试了高功率皮秒啁啾脉冲放大系统。最终实现了中心波长1064 nm、平均功率106W的激光输出,其重复频率为4.93 MHz、脉冲宽度为13.6 ps,对应单脉冲能量为21.5μJ、峰值功率为1.6 MW,并对其进行了工程化样机设计及封装。4.高峰值功率和高平均功率飞秒光纤啁啾脉冲放大系统研究利用非线性频率转换技术研制了宽光谱色散波光源,并利用该光源建立了飞秒啁啾脉冲放大系统。首先使用1.5μm波段飞秒激光泵浦一段高非线性光纤令其波长产生频移,得到了1μm波段的色散波激光输出,并利用Matlab软件对色散波的产生过程进行了数值模拟和方案优化。随后利用此光源结合AOM脉冲选择器及衍射光栅对脉冲压缩器获得了平均功率7.7 W、重复频率1.09 MHz、中心波长1065.1 nm、脉冲宽度270 fs、峰值功率26 MW的激光输出。为了进一步提高平均输出功率和系统集成度,用新型CVBG脉冲压缩器取代原有光栅对脉冲压缩器,建立了高平均功率紧凑型飞秒啁啾脉冲放大系统,获得了平均功率107W、重复频率17.5 MHz、中心波长1064 nm、脉冲宽度566 fs的激光输出。