高能量密度物理研究是当今国际上基础物理科学研究的重要前沿领域,其中激光驱动惯性约束聚变和激光等离子体加速器是重要的研究分支。目前,基于光纤激光相干放大网络概念建造高能高功率激光驱动器是未来重要的发展方向,具有广阔的应用前景。尽管国内外相关研究仍处于初步探索阶段,但是研究人员普遍认为高平均功率线偏振飞秒光纤啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification,CPA)系统和相干合成技术是未来发展的关键技术。不仅如此,相干合成技术在高功率光纤飞秒光学频率梳、非线性脉冲压缩以及阿秒光学等领域也有潜在的应用价值。相干合成技术方案众多,其中相干偏振合成技术在功率提升的同时可以保持良好的光束质量,具有很大的发展潜力。另外,飞秒光纤振荡器及线偏振飞秒光纤CPA系统是相干偏振合成实现的重要前提和基础。基于此,本文以飞秒光纤激光相干偏振合成技术为主要研究对象,系统开展了全正色散腔被动锁模全光纤振荡器及其功率放大、全光纤线偏振飞秒CPA系统以及飞秒光纤激光相干偏振合成系统的研究。论文主要内容如下:一、首先开展了全正色散腔被动锁模全光纤振荡器的研究。第一,实验研究了全正色散腔被动锁模光纤振荡器的光波分裂现象,并成功实现了耗散孤子谐振锁模,完全抑制了光波分裂的产生,实现了大能量方波脉冲输出,实验上说明了耗散孤子谐振锁模的多稳定性以及输出方波脉冲的压缩特性,结果表明这种方波脉冲具有较大的非线性啁啾,无法被线性色散补偿器件去啁啾,限制了其在CPA系统中的应用。第二,通过优化器件参数,基于全正色散腔被动锁模光纤振荡器实现了低阈值功率的1.0-1.3μm全光纤级联拉曼连续谱光源。第三,基于非保偏光纤器件设计并实现了1.06μm波段线偏振耗散孤子飞秒全光纤振荡器,成功抑制了1.03μm波段放大的自发辐射,实现了脉宽为387 fs的飞秒脉冲输出,可以作为飞秒光纤CPA系统及其相干偏振合成系统的理想种子激光。其次,基于搭建的耗散孤子谐振锁模全光纤振荡器,分别设计了非保偏与保偏光纤放大器,先后实现了240 W/36 kW和174 W/38.5 kW的高平均/峰值功率非线偏振和线偏振纳秒方波脉冲输出。最后,实验研究了类噪声脉冲全光纤振荡器,并且国际上首次对其进行了高功率放大,实现了423 W/314 kW的高平均/峰值功率的皮秒脉冲输出。二、从理论与实验两个方面,系统研究了全光纤线偏振飞秒CPA系统。首先,分析了全光纤飞秒CPA系统设计在信号光参数选取、脉冲展宽器、光纤放大器以及脉冲压缩器等方面的问题,指出基于高掺杂大模场双包层掺镱光纤建立全光纤结构的飞秒CPA系统是实现飞秒光纤激光平均功率提升的一条切实可行的途径。其次,建立了飞秒光纤CPA系统简洁的解析理论模型,理论分析表明正群延迟色散和三阶色散可以与非线性相移相互补偿,利用这一效应可以一定程度上突破B积分的限制,实现更高功率的飞秒光纤激光输出。最后,分别搭建了基于单模光纤和啁啾光纤布拉格光栅展宽的全光纤线偏振飞秒非线性CPA系统,应用色散与非线性相移的相互补偿效应,分别实现了平均功率119 W/300 W、脉宽352 fs/344fs、峰值功率4.2 MW/11 MW的高平均功率、线偏振(消光比优于13 dB)、近衍射极限(M2<1.3)的飞秒激光输出,为国际上已报道的最高平均功率的线偏振飞秒光纤CPA系统。三、建立了飞秒光纤激光相干偏振合成系统合成效率的解析理论模型,着重分析了时域及频域因素对系统合成效率的影响,首次给出了对应不同时域及频域因素的解析表达式。理论分析表明光程差是影响系统合成效率最为明显的因素,当飞秒脉冲中心波长0?为1064 nm、3 dB光谱宽度为13 nm时,约140?的光程差引起系统合成效率下降5%;当各路功率一致时,自相位调制效应的影响与光谱宽度无关,仅依赖于B积分差(35)B的值,当(35)B达到0.6弧度时,系统合成效率下降5%;当3 dB光谱宽度有限时,群延迟色散对系统合成效率的影响相对较小,对于0?为1064 nm、3 dB光谱宽度为13 nm的飞秒脉冲,光纤长度失配0.2 m所引入的群延迟色散失配导致系统合成效率下降2%。基于理论分析,首次提出了多层级的全光纤光程差主动控制方法,分析了不同的锁相技术,阐述了光谱相位的控制策略。四、设计并实现了全光纤光程差自适应控制系统,实验验证了系统的性能,结果表明系统可以完全补偿±600?内的光程差漂移,达到了设计要求。搭建了两路10瓦级飞秒光纤激光相干偏振合成系统,采用理论与实验相结合的方法,研究了时域及频域因素对系统合成效率的影响,理论与实验结果吻合较好,验证了理论模型的正确性。基于有效的系统主动控制和优化策略,实现了两路10瓦级的飞秒光纤激光相干偏振合成,系统合成效率为96%,合成飞秒脉冲脉宽为467 fs。搭建了两路高功率飞秒光纤激光相干偏振合成系统,合成光束平均功率达到313 W,合成飞秒脉冲脉宽为827 fs,为当前国际上全光纤结构飞秒光纤激光相干合成系统输出的最高平均功率。尽管由于激光模式恶化,系统合成效率仅为79%,但是进一步提高单路性能,该系统仍具有很大的功率提升潜力。论文通过系统的理论与实验研究,充分认识了飞秒光纤激光相干合成中的新问题,在光程差控制技术方面有新突破,填补了全光纤结构飞秒光纤激光相干合成系统研究的空白,有望为未来高能高功率激光驱动器的发展提供一定的参考。