飞秒掺钛蓝宝石激光振荡器由于优良的综合性能，不仅至今仍是人们开展超快现象研究、微纳加工制作等工作的常用工具，而且也是通过啁啾脉冲放大技术获得超高强度激光的理想种子。近年来又进一步作为光学频率梳的核心器件，促成了精密测量物理及精密光谱学的巨大进展。但是，常规飞秒掺钛蓝宝石激光振荡器的重复频率多在100MHz左右，不仅单脉冲能量低，而且由于有限的光谱带宽，限制了其在包括上述领域在内的诸多应用，特别是对光学频率梳的发展而言，高重复频率及超宽的光谱结构是非常重要的内容。针对这些问题，本论文系统开展了飞秒钛宝石激光振荡器重复频率提高、能量提高、光谱扩展及腔外共振增强等新内容的研究，所取得的创新结果有：　　 1.针对提高飞秒光学频率梳信噪比及降低其波长分辨要求，系统开展了飞秒掺钛蓝宝石激光振荡器重复频率的提高研究，先后得到脉冲宽度小于10fs、重复频率745MHz及1.1GHz的结果，大大降低了频梳测频过程中对波长计分辨率的精度要求。这也是国内重复频率最高的飞秒激光振荡器结果，进一步采用F-P滤波腔后，重复频率可望提高到20GHz，从而用于天文观测定标的实验研究。　　 2.针对高能量单脉冲飞秒激光振荡器的应用要求，开展了低重复频率飞秒掺钛蓝宝石激光振荡器的研究，研制成功重复频率降低至11MHz、对应单脉冲能量达77nJ的稳定飞秒激光脉冲输出，相应的峰值功率达MW量级，是国内首次实现峰值功率达到MW量级的掺钛蓝宝石激光器研究结果。为进一步用于飞秒微加工、飞秒激光泵浦探测、高对比度飞秒激光放大以及飞秒光学参量振荡等实验提供了可行的光源。　　 3.针对高稳定锁定飞秒激光载波包络相位及宽带光学频率梳的要求，进行了光谱宽带到倍频程的飞秒掺钛蓝宝石激光振荡器研究，得到了输出平均功率约100mW、光谱覆盖从600nm到1250nm的围的倍频程超宽光谱。该结果对于进一步简化我们现有宽带飞秒光学频率梳的结构、提高系统稳定性、特别是拓展其在光频测量实验研究中的应用，建立了良好的基础。　　 4.针对直接放大高重复频率飞秒激光能量的需要，进行了飞秒激光共振增强腔的理论与实验研究。通过对高功率飞秒激光振荡器、环形共振腔以及同步锁定三个方面的系统分析与优化设计，成功实现了种子腔与共振腔的同步锁定，首次在国内得到了飞秒激光的共振增强，不仅为采用相干叠加进行高重频飞秒激光放大提供了基础，同时也为通过非线性频率转换及高次谐波法产生极紫外光学频率梳的迈出了重要的一步。