随着科学技术的进步,超短脉冲激光技术在物理、生物、化学等领域的应用不断深入和扩展,人们对超短激光脉冲的认识也不断加深,关于其噪声特性的研究开始逐步得到重视。目前,具有低噪声水平的超短脉冲系统已经催生出一系列全新的应用,而这些新型的应用又对系统的噪声性能提出了更高的要求。本论文以超短激光脉冲在非线性传输与放大过程中的噪声机理和控制机制为研究对象,结合几种典型的超短脉冲激光系统,开展了一系列理论和实验工作:首先研究了全保偏光纤皮秒激光器的噪声特性,并由此开展了板条放大和高精度加工的应用研究;同时还系统性地研究了超短脉冲光纤放大器,飞秒激光参量放大器的噪声特性,为进一步降低这些系统的噪声奠定了基础。论文的主要内容概括如下:1.建立了全保偏光纤皮秒激光器含噪声数值模型,由此研究了其噪声特性。同时,利用光学互相关法精确测量了该皮秒激光器的时间抖动噪声,实验与模拟结果一致。此外,还基于上述数值模型,解释了皮秒激光器腔内窄带光谱滤波器对其时间抖动噪声的抑制作用,并发现了噪声最优化的光谱滤波器带宽。2.以低噪声全保偏光纤皮秒激光器为种子源,开发了光纤-板条混合皮秒激光放大系统,发现系统的高稳定性很大程度上受益于其低噪声的种子源。通过两块商用LBO晶体中的三倍频效应,系统最终输出了波长355 nm,脉冲能量15μJ的高能紫外皮秒脉冲,并在多晶金刚石表面上获得了高精度的加工结果。3.建立了超短脉冲光纤放大器的精确数值模型,结合实验发现了负啁啾种子脉冲不仅有利于在光纤放大器中实现自相似演化,还可以有效降低其强度噪声。同时,通过优化种子脉冲的负啁啾量,实验中获得了脉宽仅为36.4 fs的高质量飞秒脉冲输出,此时放大器的强度噪声相比正啁啾脉冲放大时下降了31%。4.建立了超短脉冲拉曼光纤放大器的含噪声数值模型,由此提出了皮秒相干拉曼放大的概念,研究了实现皮秒相干拉曼放大的关键条件。同时,以低噪声全保偏光纤皮秒激光器为泵浦脉冲源,在长为4.5 m的保偏掺镱双包层光纤中实现了脉冲能量67 n J,脉宽76 fs的近变换极限飞秒脉冲输出,验证了上述理论。5.建立了超短脉冲参量放大器的含噪声数值模型,研究了飞秒激光参量产生器的噪声特性,发现了饱和工作状态与其噪声之间的联系。进一步,研究了不同类型种子注入对飞秒激光参量放大器输出噪声水平的影响,在数值模拟和实验中同时发现了窄带连续光注入参量放大器的噪声表现最佳。