超短超强激光的出现诞生了飞秒化学、飞秒频率梳、飞秒激光加工、超快光谱学、以及强场激光物理等新的学科方向，极大的推动了物理学、化学、生物学、材料学等传统学科的发展。目前，已有超短超强激光主要集中在0.8?1.5μm的近红外波段，它们已经为科学研究提供了前所未有的强大工具。为了进一步拓展超短超强激光在光谱学、高能X射线及阿秒激光物理等领域的应用前景，发展中红外超短超强激光已经成为国际上激光技术领域的一个新的前沿研究方向。中红外波段对应大部分气体和有机分子的振转动能谱，覆盖了大气的三个主要透明窗口，以及具有强场物理中的长波长先天优势，在光谱学、医学、国防和强场物理方面具有巨大的应用前景。然而，当前中红外超短超强激光技术还远落后于近红外波段激光技术。亟需发展创新的中红外激光技术以大幅提升现有中红外激光的技术水平，从而打开新的应用领域。　　本文围绕中红外超短脉冲激光的非线性产生和放大技术，在新型物理机制、中红外激光器新设计及实验验证等方面开展了系列研究工作，主要研究工作及创新点如下：　　（1）本文首次发现了超短脉冲光参量振荡器中存在耗散孤子现象，并系统研究了光参量振荡器中耗散孤子形成的机制以及参量条件。本文发现，当光参量振荡器腔内的增益、损耗、色散和非线性满足一定条件时，腔内信号光可以演化为巨线性啁啾的耗散孤子脉冲。这种耗散孤子的形成是增益和损耗平衡的结果。泵浦光向信号光的参量转化为耗散孤子提供了增益。信号光的增益是时间相关的，在时域上和频域上都有一定的窗口宽度。在腔内存在较大三阶非线性条件下，信号光在积累非线性相移过程中光谱会不断的得到展宽，当展宽到超过增益的窗口宽度时，会受到一个非线性的损耗调制。当腔内信号脉冲的增益和由非线性、色散决定的非线性损耗达到平衡时，就会在腔内形成巨线性啁啾的耗散孤子。因此，通过在中红外光参量振荡器中设计特定的增益、损耗、非线性和色散等参量条件，就可在腔内产生巨线性啁啾的信号脉冲，本文把该类光参量振荡器称为耗散孤子光参量振荡器。　　（2）本文证实利用耗散孤子光参量振荡器可以通过高功率长脉冲泵浦实现超短中红外飞秒脉冲产生，甚至实现周期量级的中红外飞秒脉冲产生，从而为大幅度提升现有超短脉冲中红外光参量振荡器的峰值功率水平提供了新的技术途径。在特定的参数条件下，耗散孤子光参量振荡器可在腔内产生巨线性啁啾的信号脉冲，通过腔外的去啁啾就可压缩得到极短的中红外飞秒脉冲产生。同时，通过耗散孤子光参量振荡器产生的闲频光脉冲也是线性啁啾的，同样可以压缩为飞秒脉冲。本文从管理光参量振荡器的三波耦合波方程出发，数值上系统研究了耗散孤子光参量振荡器的参量条件、孤子特性以及压缩特性，发现不管是正色散和负色散的光参量振荡器中，都可产生耗散孤子，只要满足特定的参量条件。同时，本文证实了不管利用材料的三阶非线性还是参量晶体自身的级联二阶非线性都可提供耗散孤子光参量振荡器要求的三阶非线性相移，通过参量晶体自身的级联二阶非线性可显著简化耗散孤子光参量振荡器的设计。　　（3）本文首次实验证实了超短脉冲光参量振荡器中耗散孤子产生及高倍率脉冲压缩特性。利用自主研制的高功率皮秒泵浦源系统，通过腔内插入高非线性的ZnSe三阶非线性材料，在泵浦脉宽为2.5 ps的情况下，腔内产生了巨线性啁啾的中红外耗散孤子，通过腔外压缩获得了～126 fs的中红外飞秒脉冲。同时，本文也验证了通过参量晶体的级联非线性来提供非线性相移的耗散孤子光参量振荡器。利用信号光在PPLN晶体中的自身倍频级联非线性过程，在泵浦脉宽为2.5 ps的情况下，实现了中红外耗散孤子的产生，通过腔外压缩得到了208 fs的中红外飞秒脉冲输出。实验结果和本文的理论模拟结果具有很好的吻合，证明了耗散孤子光参量振荡器理论的可靠性。　　（4）基于已有的实验条件，本文设计了100 TW级中红外光参量放大器系统，理论上论证了在现有条件下建设100 TW级中红外强激光系统的可行性。该100 TW中红外系统采用全光参量放大设计，中红外种子脉冲由飞秒光参量放大器（OPA）产生，中红外放大器由两级光参量啁啾脉冲放大器（OPCPA）构成。基于两级铌酸锂晶体的OPCPA放大，预期在2.2μm波段可实现100 TW峰值功率的中红外脉冲产生。本文系统分析和考虑了信号波长优化、非线性晶体选择和设计、信号脉冲放大带宽最大化优化设计、泵浦-信号时间抖动以及泵浦脉冲功率波动影响等问题。本文的理论设计为实验室建立100 TW级的中红外强激光放大系统奠定了基础。