高平均功率的飞秒激光在物理学、化学、生物医疗、超精细加工等研究领域有着广泛的应用。为了得到平均功率高、脉冲短、性能稳定的飞秒激光,论文针对啁啾脉冲放大系统中的色散管理、能量放大进行了相关理论和实验研究,并对开展阿秒激光产生所需要的载波包络相位稳定的周期量级激光进行了相关实验研究。论文的主要研究内容和创新性成果如下:1.针对啁啾脉冲放大(Chirped Pulse Amplification,CPA)中的色散管理问题,本文首先对于各阶色散对脉冲形貌的影响进行了理论推导,对常用展宽器、压缩器以及材料色散进行了系统分析,并基于色散补偿后的光谱相位提出了可靠的色散评价方法,开发了对整个CPA系统的色散进行全局优化并寻求最优解的程序;其次,针对马丁内兹型和欧浮纳型展宽器隐含像差的问题,设计了球面镜同心反射式的无像差展宽器,基于该结构的展宽器非常适用于宽光谱、材料色散量小的啁啾脉冲放大系统,并可通过光栅对的色散补偿得到非常平坦的光谱相位,获得理想的压缩脉冲输出。2.考虑到热透镜对于再生腔模式的影响,设计搭建了腔模可调的线形再生放大器,对该腔型的热不灵敏性和模式的可调节性进行了计算分析,并结合实验说明了其能够很好满足大能量、基横模的放大激光输出。最终在20mJ、1kHz的532nm泵浦下,得到了最高能量6.5m J、斜效率高达33.6%的放大激光输出,是进行高功率二级放大的理想前级光源。3.设计搭建了一套包含两级放大的高平均功率钛宝石飞秒放大器,主放大部分的钛宝石采用液氮杜瓦瓶制冷以减小热透镜效应,并用88m J、1kHz的532nm激光进行泵浦。通过泵光的热透镜效应形成的准波导结构对激光进行约束,利用蝴蝶结型四通放大器,实现了脉宽25.4fs,重复频率1kHz,能量22.8mJ的飞秒激光输出,峰值功率约为0.9TW。4.单阿秒脉冲的产生需用CEP稳定的周期量级激光驱动,在商用九通放大器的基础上,进行了二级放大器的设计搭建,利用20mJ泵浦的两通放大,将1.2m J的入射激光放大到了5mJ,并经过棱镜对进行色散补偿,得到了3.9m J、27fs的压缩光输出。利用差分充气的空芯光纤得到了400-950nm的倍频程光谱展宽,进而用啁啾镜进行色散补偿,获得了4.6fs的周期量级飞秒脉冲。此外还进行了光束指向性稳定系统的搭建,并利用0-f方法和f-2f方法分别对振荡器和放大器进行了快环、慢环锁定。5.由于传统空芯光纤能够承受的入射光能量有限,利用多个熔融石英薄片代替空芯光纤,得到了超连续光谱的产生。使用0.8mJ、25fs的入射光,依次通过7片布角放置的厚度为100um的融石英薄片,经仔细调整入射光能量密度和薄片相对位置,将的入射光光谱扩展到了覆盖460-950nm的倍频程,并经啁啾镜压缩,得到了7.1fs的激光输出,并应用于高次谐波的产生中。