飞秒激光的飞速发展源于许多领域的应用需求，其中掺镱光纤激光器得益于其高功率的优势，分别在基础科学、激光加工、精密计量、光学通讯、显微镜和光谱学方面起到了至关重要的作用。在众多超快激光系统中，超短脉冲掺镱光纤激光器因其高功率、出色的光束质量、免维护、结构紧凑等特性，得到了广泛研究。本论文主要致力于基于掺镱超短脉冲光纤激光器的研究，对飞秒激光光纤振荡器、飞秒光纤线性及非线性放大技术进行了详细的理论和实验研究，搭建了多台基于掺镱光纤的高功率激光放大系统，并基于自主搭建的激光系统，利用非线性晶体和光纤对超短脉冲波长拓展技术进行了研究，实现了多种波长的高功率大能量激光脉冲输出，为多波长的超短脉冲激光在激光加工、生物医学成像应用提供大能量的脉冲激光光源。
　　本论文的主要研究内容和取得的创新结果有以下方面：
　　1.基于非线性光学放大镜技术，研究了适用于低重复频率应用的掺镱光纤振荡器，在8MHz、6MHz和4MHz情况下实现了全光纤结构的光纤激光振荡器，首次在掺镱的非线性环形镜锁模振荡器中得到脉冲宽度小于100fs的超短脉冲，且脉冲能量接近10nJ，峰值功率100kW。实验中测量了NALM锁模振荡器的功率稳定性，在10小时内的功率抖动仅为0.04％(RMS)，证明了此种振荡器优越的环境稳定性。
　　2.基于非线性偏振旋转锁模技术，搭建了一套基于掺镱光纤的振荡器，通过合理控制腔内色散，获得了腔内净色散在近零区域内的锁模输出，并利用光纤啁啾脉冲放大技术，实现了重复频率为75MHz的全光纤保偏放大系统，系统增益接近30dB，放大后平均功率15W，压缩后最大平均功率12W，单脉冲能量160nJ，压缩效率高达80%，压缩后的脉冲宽度为150fs。基于上述系统，利用非线性频率转化的方法，分别使用LBO和BBO晶体得到了波长为520nm和260nm的激光输出，平均功率分别为5.6W和560mW，测量了在4小时内520nm绿光激光的平均功率抖动，仅为0.16%。
　　3.基于抛物线型脉冲和非线性Cubicon放大原理，使用普通单模保偏光纤作为展宽器，设计并实现了脉冲宽度为200fs，脉冲能量为1μJ，重复频率为1-10MHz之间可调，中心波长位于1037nm，FWHM为8nm的掺镱光纤激光系统，脉冲宽度与变换极限宽度几乎相同，证明了基于抛物线型脉冲和非线性Cubicon放大的试验方法的可行性。基于此原理，设计并搭建了一套工程化激光器，输出脉冲宽度为230fs，重复频率为1-10MHz之间可调，中心波长位于1038nm，FWHM为10nm的线偏振脉冲输出，验证了抛物线型脉冲和非线性Cubicon放大方案的可重复性，为全光纤型超短脉冲激光系统提供了可靠的实验验证。
　　4.基于光纤中的SPM效应实现了掺镱光纤激光器的光谱拓展，设计并在实验中验证了光谱拓展的实际可实现性，在LMA-8光纤中初步实现了调节范围覆盖940-1250nm的可调谐脉冲，在940nm和1250nm处的脉冲能量大于30nJ，脉冲宽度介于80-120fs之间。进一步，实验中分析了增加拓展后的脉冲能量的方法，并通过增加光纤MFD和减少光纤长度增加了光谱拓展的输出能量，使用ESM-12光纤实现了在925nm到1150nm之间光谱可调谐，尤其是在1150nm处实现单旁瓣能量大于75nJ，双旁瓣能量大于100nJ，脉冲峰值功率接近1MW，转换效率接近50%。