高平均功率皮秒全固态激光器在工业精密加工、医疗以及科研领域具有很大的应用价值和发展前景。特别是高平均功率皮秒千赫兹激光由于同时具有高脉冲能量和高峰值功率，在很多方面有着重要的应用，例如:皮秒千赫兹绿光在卫星激光测距及对人体组织的医疗切除等方面有重要的应用价值;波长介于2-5μm的近、中红外光谱覆盖了重要的大气窗口，并且涵盖了多种物质的吸收峰，因此该波段在基础科学研究和石油勘探等方面都是其应用领域，此外，在光谱测量、环保和医学上也具有很高的应用价值;由于高功率皮秒激光的特点，在激光频率变换方面也有重要应用。为了获得大能量高功率高光束质量皮秒全固态激光，本文针对皮秒激光种子源产生，放大过程及频率变换过程中的难点和关键技术进行了深入地研究。系统地研究了被动锁模技术、再生放大技术、Innoslab超短脉冲激光行波放大技术、Zigzag板条超短脉冲激光行波放大技术、倍频技术、光参量振荡技术、光参量放大技术等，并结合这些技术在取得高平均功率皮秒激光中发挥各自的特点与优势。分别研制成功了高功率的～1μm近红外皮秒激光放大器及其倍频绿光激光器，研制成功了1.3μm波段SESAM被动锁模皮秒激光振荡器、再生放大器、腔倒空锁模激光振荡器，研制成功了2.1μm近红外和3.47μm中红外皮秒光参量放大器等。取得的创新性成果如下:　　1.研制成功了高平均功率高能量皮秒1064 nm Nd∶YAG主振荡功率放大(MOPA)系统。针对皮秒放大过程中提高放大提取效率与避免光学元件损伤相矛盾的难点，优化设计光斑模式及能量密度分布。结合SESAM被动锁模技术、再生放大技术、Innoslab行波放大技术，最终获得了41 W的高平均功率高能量皮秒1064nm激光输出，脉冲重复频率为5 kHz，信噪比大于100∶1，单脉冲能量约为8.2 mJ，脉冲宽度约25.3 ps，峰值功率324MW，光束质量因子M2=2.5，亮度高达5.88×108 W/cm2·sr。为进一步提高输出功率及脉冲能量，将Zigzag板条激光放大技术应用于kHz皮秒放大。通过理论计算和优化设计Zigzag板条晶体激光头结构和泵浦耦合系统，并有效解决大板条放大过程中的自聚焦等问题，最终获得了平均功率高达412 W的皮秒脉冲激光输出，单脉冲能量为82.4 mJ，脉宽18.9 ps，峰值功率达4.36 GW。光束质量β因子约为4.7。此为目前功率最高的kHz重复频率的皮秒激光器。　　2.在5 kHz皮秒基频激光基础上，通过LBO晶体倍频技术成功地获得了最高功率51.2 W的532 nm倍频光输出，单脉冲能量大于10 mJ，转换效率达62％。脉宽为16.3 ps，峰值功率达628 MW。光束质量β因子约为3。该激光器可用于激光卫星测距。　　3.首次研制成功了1342 nm Nd∶YVO4再生放大器。采用880 nm低量子亏损泵浦技术和键合晶体技术，有效减小热效应，获得了高功率SESAM被动锁模1342 nm Nd∶YVO4皮秒种子激光，注入放大器后，实现了重复频率1-10 kHz可调的再生放大输出。当工作于1 kHz时，最高获得单脉冲能量0.243 mJ，脉宽为43.8 ps，峰值功率达5.55 MW，光束质量M2=1.75。此激光器可为目前通过高效级联倍频方法获得的可满足光电子能谱仪应用需求的167.75 nm深紫外输出。　　4.开展了腔倒空皮秒锁模技术研究，将腔倒空技术与SESAM锁模技术相结合，仅使用一个谐振腔，实现重复频率kHz锁模激光输出，既减少了系统复杂性，又获得了较高的单脉冲能量。首次实现1342 nm Nd∶YVO4的腔倒空锁模皮秒激光输出，重复频率10 kHz时，脉宽为33.4 ps，输出平均功率0.119 W，相应于单脉冲能量11.9μJ，倒空率高达94％，峰值功率达356 kW，光束质量M2为1.29。该激光器可替代复杂的再生放大系统应用于生物科学、材料加工等领域，或者可作为更高脉冲能量皮秒激光器的种子源。　　5.首次进行了基于纳秒光参量振荡种子注入的2.1μm近红外和3.47μm中红外皮秒光参量放大研究。其中泵浦光均为MOPA系统获得的1064nm皮秒基频光，种子光分别为2128nm和1534.3nm的纳秒光参量振荡光源。通过优化实验参数，最终实现了平均功率24.5 W的2128nm近红外皮秒光参量放大输出，单脉冲能量4.9 mJ，脉宽为18 ps，光束质量β因子为～4.1;实现了3.47μm中红外皮秒光参量放大输出，获得了平均功率5.38 W，单脉冲能量1.076mJ的皮秒激光，脉宽为17ps，光束质量β因子为～4.5。整体体积约0.31 m3。该近红外和中红外皮秒光参量放大输出功率及脉冲能量均为同类激光器中的国际最高水平。