超短脉冲激光技术一直以来是激光技术研究领域的一个热点，尤其随着超短脉冲激光器在物理学、化学、医学、生物学及激光加工等等诸多领域的广泛应用，更加推动了这一技术的不断发展。人们也对超短脉冲激光器提出了更高的要求，使得降低能耗，提高效率，减小污染，缩小体积成了这种激光器研究的着眼点。最近几年，波长在900～1000nm范围的半导体激光器的商业化，以及适合这个波段半导体激光器直接泵浦的掺Yb3+晶体生长技术的不断发展，使得半导体直接泵浦的全固化超短脉冲激光器成为一个重要的发展方向。这种超短脉冲激光器具有传统的超短脉冲激光器不可比拟的优点：减少了能量转换环节，提高了能量的利用率，并且结构紧凑，大大降低了造价。另外，超短脉冲激光领域的另一重要技术——半导体饱和吸收镜(SESAM)生长技术的逐步成熟，为半导体直接泵浦的被动锁模激光器带来了生机。本论文对半导体直接泵浦的Yb：YAG克尔透镜锁模激光器和半导体直接泵浦的Yb：YAGSESAM被动锁模激光器进行了理论分析和实验的研究。论文主要内容包括： 1.详细介绍了飞秒激光在生物、化学、物理、医学、加工等领域的广泛应用。介绍了飞秒脉冲激光器发展经历的几个阶段：碰撞脉冲锁模染料激光器，固体介质(钛宝石，Cr：LiSAF等)飞秒激光器，半导体直接泵浦激光介质的飞秒脉冲激光器。列举了最近几年用于超短脉冲激光器的几种掺Yb3+晶体，这类掺Yb3+晶体的吸收波长可以同半导体激光器的发射波长很好匹配，具有宽的荧光线宽。使其在半导体直接泵浦的超短脉冲激光器研究领域具有很大潜力，为窄脉宽，小型化超短脉冲激光器的发展提供了可能。简要介绍了SESAM被动锁模的历史；半导体直接泵浦的超短脉冲激光器将在全固化的超短脉冲激光加工系统中扮演一个非常重要的角色。 2.介绍了实验所需理论。建立了基于Yb：YAG晶体的准三能级速率方程，并对Yb：YAG激光器的阈值和输入－输出特性进行了分析；介绍了自聚焦机理，分析克尔透镜锁模的原因，分别从稳态自聚焦理论和动态自聚焦理论出发推导出自聚焦的公式；分析了半导体饱和吸收体的基本结构和时间特性；系统的阐述了半导体可饱和吸收镜的主要特征参数。介绍了激光器参数同半导体饱和吸收镜宏观特性之间的关系。从结构上的变化分别对高、低精细度类型，宽带低损耗类型等半导体可饱和吸收镜的相关结构进行了分析和比较。 3.为了满足实现克尔透镜锁模对泵浦光的严格要求，对激光二级管的输出光进行严格整型，在考虑球差的情况下，设计并搭建整型系统，最后聚焦到晶体内部的光斑大小为34μm×20μm，满足了克尔透镜锁模所需要的高功率密度(4.41×105W/cm2)和软光阑条件；首次在半导体直接泵浦的克尔透镜锁模激光器中，对五镜谐振腔进行详细的理论分析计算。将五镜腔稳区分为左稳区，中稳区和右稳区，计算出谐振腔工作在这三个稳区时的光斑走势情况，对类似激光器的调节具有普遍指导意义；计算谐振腔在输出镜处的非线性调制损耗强度，分析调节谐振腔的过程中，各个腔参数对锁模的影响，确定最佳锁模腔参数，在五镜腔左稳区和中稳区边缘找到最佳锁模范围；计算比较四镜腔、五镜腔的微分增益和ROS值，从理论上找出五镜谐振腔稳定锁模的根源；为了补偿腔内色散，压缩脉冲宽度，详细计算Yb：YAG晶体的二阶和三阶增益色散，晶体和棱镜对引入的二阶和三阶材料正色散。计算得出最佳棱镜对间距，引入的负色散量可以有效补偿腔内二阶色散；根据前面的理论分析，在国际上，首次利用五镜谐振腔，并且腔内没有插入硬光阑的情况下实现Yb：YAG激光器的克尔透镜锁模。在国内，这是目前实现Yb：YAG激光器克尔透镜锁模的唯一报导。锁模平均输出功率为20mW，锁模光的谱线宽大于9nm，脉宽为235fs，脉冲重复频率为94MHz。 4.采用不同泵浦源和不同的谐振腔型，用半导体可饱和吸收体对LD直接泵浦的Yb：YAG激光器进行被动锁模研究。分别采用直腔，Ⅴ型谐振腔和X型谐振腔，并且对这三种腔型进行理论计算，得到谐振腔内各处的光斑图。用激光二极管，半导体阵列和光纤耦合输出激光器分别作为泵浦源，得到锁模脉冲的谱线宽度依次为：2.8nm，2nm和1.1nm，三种光谱能够得到最窄脉宽为：403fs，570fs、1.05ps。首次提出：SESAM被动锁模激光器中，可以得到的最窄脉冲宽度除了司SESAM自身的特性有关之外，还要受到晶体内部光功率密度的影响。 此外，实验验证，掺Yb3+晶体相比于掺Nd4+晶体更容易得到窄脉宽的被动锁模，这种掺Yb3+晶体的被动锁模激光器将会成为被动锁模激光器发展的主流。 最后，充分利用Yb：YAG晶体上能级寿命长的特点，采用短腔结构，用输出镜式SESAM实现了脉冲宽度为200ns的调Q，输出功率为90mW。