基于飞秒脉冲时-频域精密控制技术发展起来的光学频率梳,为高分辨空间遥感、野外绝对测距测量、卫星定位导航等重大应用提供了崭新的高精度和高稳定度的激光光源。为了满足这些应用的需求,光梳需要进一步提高纵模间隔和平均功率。光纤飞秒激光器因其结构紧凑、成本低廉的特点近年来成为发展拓展光梳应用的研究热点。然而,在现有的技术框架下将光梳应用于远距离探测和空间频率传递存在以下急需解决的科学和技术问题:飞秒脉冲放大受制于增益窄化效应脉冲宽度难以压缩;传统双包层光纤输出光束质量在高功率下难以保持在衍射极限;高功率光梳频域特性受限于附加相位噪声难以精密控制。发展基于非线性放大机制的飞秒脉冲放大技术,有机融合光场时-频域精密控制技术,是实现宽光谱光纤光梳功率提升的有效途径。本论文围绕高重复频率光纤飞秒激光的非线性放大及其时-频域精密操控这一主题展开研究,以低噪声高重复频率飞秒光纤激光器为种子源,提出了一种基于预啁啾管理机制的自相似脉冲放大技术,并以此为基础组建了高功率脉冲放大系统,获得了高功率宽光谱的飞秒脉冲,为开展光梳向紫外和中远红外频谱拓展的相关研究提供了技术支持。同时利用飞秒脉冲时-频域精密控制技术实现了高重复频率光纤光梳的相位锁定。具体研究内容和创新点如下:1.低噪声的高重复频率锁模激光器是研制高重复频率光梳的基础,我们研制了一种基于非线性放大环形镜锁模技术的保偏光纤超短脉冲激光器,在无需环境噪声隔离的情况下获得了低相位噪声的超短脉冲序列,其重复频率为161MHz,自由运转时累计相位噪声4.21mrad,为进一步提高光纤光梳系统稳定性和可靠性提供了技术支撑。2.啁啾脉冲放大器可以为预啁啾管理自相似放大器提供种子脉冲,我们设计了一种空间式的高阶色散补偿装置,用于补偿展宽光纤引入的高阶色散。利用棱栅压缩器获得了平均功率11W,脉冲宽度180fs的近傅里叶变换极限的超短脉冲。并组建了全保偏光纤啁啾脉冲放大系统,实现了飞秒脉冲激光器的长期稳定运行和集成化,为开展野外环境绝对距离测量提供了稳定的激光光源。3.高阶色散,有限增益带宽,受激喇曼散射是导致自相似脉冲放大器输出脉冲压缩质量下降的主要因素,针对这些限制因素我们提出了一种基于预啁啾管理的自相似放大方案。首先通过模拟证明了改变初始脉冲的啁啾参数能够促使脉冲在增益光纤中快速形成自相似脉冲演化,并存在最优的预啁啾量提升脉冲的压缩质量,为开展预啁啾管理自相似放大技术的实验研究提供了理论基础。以理论分析为基础,组建了基于预啁啾管理技术的高功率自相似脉冲放大系统,从实验上验证了预啁啾管理可以显著提高脉冲的压缩质量,并利用该系统获得了平均功率93.5W,脉冲宽度33fs的高功率飞秒脉冲。相比国际上的类似放大系统,具有最高的峰值功率（22MW）和最窄的脉冲宽度（60fs）。4.为了满足高精度空间遥感对频率精度的需求,以高重复频率光纤激光器和超短脉冲放大技术为基础,我们开展了高重复频率飞秒光纤激光器时-频域精密控制的研究工作。分别通过反馈控制高重复频率光纤振荡器腔长和泵浦激光器驱动电流,实现了重复频率光纤激光器重复频率（fr）和载波包络相位偏移频率（fceo）两个自由度的精密相位锁定,锁定后重复频率抖动的标准差为7.5mHz,频率稳定度达到了 2.6×10^-11,残余相位噪声和强度抖动分别为9mrad和0.07%（积分范围10Hz-l0MHz）;锁定后fceo频率抖动的标准差为32mHz,相对与光频载波的稳定度达到1.1×10^-16,残余相位噪声和强度抖动分别为16rad和1.8%（积分范围10Hz-3MHz）。