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光学频率梳(以下简称“光梳”)在光谱测量、频率合成、光钟等领域具有广泛的应用前景,其中,高重复频率光梳是天文光谱仪校准、高质量非线性光学显微成像、光学任意波形产生的核心部分。目前,1.0μm与1.5μm波段的光梳发展较为成熟,而2.0μm波段的光梳还处于研究阶段。尤其是高重复频率的2.0μm光纤光梳,受增益光纤掺杂浓度的限制,重复频率还未达到GHz。针对上述问题,本论文从2.0μm高重复频率锁模激光的理论研究出发,通过数值模拟确定稳定锁模的参数区间,对GHz重复频率全光纤2.0μm锁模激光器进行理论设计,实验获得了GHz重复频率锁模飞秒激光。基于GHz重复频率飞秒激光,理论和实验研究了高重复频率飞秒激光全光纤放大技术,产生了倍频程超连续光谱。结合高速光电反馈技术,实现了对高重复频率飞秒激光谐振腔的精确锁定。在此基础上,研究了高重复频率动态双光梳光谱实时测量系统,实现了对气体样品吸收光谱的高速实时测量。取得的主要成果如下:(1)实现了2.0μm波段重复频率为3 GHz的飞秒激光输出。研究了不同结构的2.0μm全光纤锁模激光器及非线性动力学,包括非线性偏振旋转锁模中调Q锁模钳制下的方波类噪声脉冲簇、可饱和吸收体锁模激光器中非线性光纤环形镜对光谱边带的影响、短腔锁模激光器中可饱和吸收体引入的非线性相移对脉冲的整形作用。基于上述研究,对GHz重复频率的全光纤锁模激光器进行了理论设计和优化,实现了2.0μm波段3 GHz重复频率飞秒脉冲输出。(2)理论设计并搭建了飞秒脉冲全光纤放大系统,实现了瓦级飞秒激光输出。通过调控光纤色散,对种子光脉冲进行展宽,在放大过程进一步结合非线性放大效应对脉冲进行压缩,最终在全光纤系统中实现了脉冲宽度为126 fs、平均功率为8 W的飞秒激光输出。(3)实现了激光器重复频率的锁定。首先,通过对锁模激光腔的温度进行调控,实现锁模脉冲重复频率的初步稳定。然后,使用实时光电反馈技术对锁模激光谐振腔重复频率精确调控,使锁模激光器的重复频率始终与参考频率保持一致,实现重复频率锁定。(4)研究了3 GHz高重复频率2.0μm动态双光梳系统。该系统可对样品的吸收光谱进行超快实时测量,探测范围为1917 nm～1937 nm。实现了对浓度为1%的氨气的实时检测,检测光谱分辨率约为14.1 pm。