脉冲宽度在皮秒、飞秒量级的超短脉冲激光光源,因其具有更高的峰值功率、更窄的脉宽和更宽的光谱,在光电子显微镜、超连续谱的产生和材料加工等方面具有重要的应用价值。除此之外,工业加工领域对高功率、高重复频率的超快激光有着极大的需求。基于上述原因,对高功率和高光束质量的超快激光的研究具有重要意义。在激光放大过程中,晶体产生的热效应严重影响了输出功率和光束质量。为了获得高光束质量和高功率的超快激光,本文围绕1.0μm波段飞秒脉冲激光的产生、放大及频率变换开展了一系列研究工作,采用飞秒光纤激光器作为种子源,利用光纤预放大器和晶体细棒主放大器进行功率放大,从理论、仿真和实验上对晶体中的热效应进行分析,通过泵浦源波长和晶体参数的改变,以及对泵浦光斑形状的优化,在保证高光束质量的同时,提升了输出功率。并对光纤放大器的最终输出激光进行非线性变换过程的探究。论文主要工作内容如下:1.从理论和实验两方面对非线性放大环路反射镜和非线性偏振旋转锁模技术进行研究。从理论出发,对光纤环路中透射率与非线性相移的关系进行探究,根据理论搭建了“9”字腔光纤激光器,在1040 nm波长处实现重复频率65 MHz、脉冲宽度641 fs的脉冲输出,并可实现自启动。阐述了非线性偏振旋转锁模的原理,根据理论搭建NPE光纤激光器,在1030 nm处实现重复频率59 MHz、脉冲宽度为489 fs的脉冲输出。2.对1.0 μm波段的飞秒激光开展功率放大和脉冲压缩的研究。从理论出发对光纤放大系统进行模拟,探究了光纤放大器与增益光纤长度的关系。以“9”字腔被动锁模光纤激光器为种子源,通过三级光纤放大器获得7.8 W的输出功率,脉冲宽度为9 ps,该实验结果与仿真结果吻合。在此基础上,对脉冲宽度进行优化,采用透射式光栅对作为脉冲压缩器对脉宽进行压缩,实现了平均功率4.1 W、脉冲宽度225 fs的飞秒脉冲输出,压缩效率74.5%。3.对基于Yb:YAG晶体细棒的放大器展开理论和实验研究。对晶体中的热效应进行探索,从稳态热传导方程和边界条件出发,对端面泵浦下不同参数的Yb:YAG晶体细棒温度场分布进行仿真,得出晶体直径和掺杂浓度对晶体内温度分布的影响。搭建了Yb:YAG晶体主放大器,以仿真结果为参考对放大器进行优化。首先研究了晶体直径和掺杂浓度对放大器输出结果的影响。940nm的LD作为泵浦源,Φ1 mm-2at.%掺杂浓度的晶体双通输出功率为40 W,光斑形状完整;Φ2 mm-1 at.%掺杂浓度的晶体双通放大输出功率为35 W,光束质量Mx2=1.52,My2=1.18。而后探究了泵浦波长的改变对放大器输出结果的影响。采用969 nm的LD泵浦Φ2 mm-1 at.%掺杂浓度的Yb:YAG晶体,双通放大实现了 34W的输出平均功率,光束质量Mx2=1.56,My2=1.13。4.基于光纤放大系统,采用非线性频率变换技术实现飞秒绿光输出。基频光平均功率4 W,脉冲宽度225 fs,通过BBO晶体倍频获得平均功率为0.88 W的绿光,二倍频转换效率为22%;通过PPLN晶体获得平均功率为0.6 W的绿光,倍频转换效率为15%。