高脉冲能量、高平均功率皮秒激光广泛应用于空间碎片测距、精细加工、医疗应用以及科学研究等领域。然而,皮秒激光因其较窄的脉宽在功率放大过程中极易因峰值功率过高引起自聚焦等非线性效应造成光学元器件的损伤,以及增益模块因热致双折射所引起的光束退偏等因素,导致难以获得高能、高平均功率和较好光束质量的皮秒激光光源。此外,对于短脉冲,激光能量提取效率非常低,增加了系统研制困难。因此,研制可长期安全稳定运行的高单脉冲能量、高平均功率皮秒激光器具有重要的研究意义和工程实用价值。本论文在理论分析与数值模拟的基础上,采用SESAM(半导体可饱和吸收镜)被动锁模技术产生皮秒超短脉冲种子光,经脉冲展宽器、光束分束器获得脉冲串激光注入到再生放大器中进行高增益放大,再依次经过光束整形、两级行波放大以及倍频,最终获得高功率皮秒脉冲串绿光激光光源。论文内容主要分为以下几个部分。1、介绍了高功率皮秒激光器的研究背景并从空间碎片激光测距方面阐述了它的应用价值,总结了为获得高脉冲能量和高平均功率的皮秒激光光源所发展的各种技术和方法,并对再生放大理论研究的发展现状进行了梳理,最后介绍了本文主要研究内容。2、对SESAM被动锁模产生超短脉冲机理、再生放大原理和倍频理论进行了分析与阐述,为后续实验研究奠定了理论基础。3、基于ABCD矩阵法,设计了腔镜耦合输出率可调节的锁模振荡腔;依据SESAM被动锁模理论,研究了腔镜耦合输出率对光束的锁模状态、光束质量和输出功率等性质的影响。4、对现有的单脉冲再生放大理论进行扩展,获得脉冲串在再生放大腔中的演变过程,重点研究了注入脉冲串种子光总能量和串内能量分布对放大输出脉冲串整体能量提取及串内能量分布的影响;从实验上研究了注入脉冲根数对再生放大输出光束指向稳定性的影响,通过增加注入脉冲根数和腔型优化,最终获得了光束指向稳定性优于±8.75μRad的再生放大光,且在空间各个方向上抖动较均匀;进行了行波放大实验,获得了输出平均功率为100W的1064 nm激光。5、基于有限元方法,理论模拟了不同状态下倍频晶体内部温度场分布,用于优化倍频方案。开展了高功率皮秒激光腔外倍频实验,研究了在同一脉冲串基频光泵浦条件下,不同倍频方案对二次谐波转换效率的影响以及脉冲根数对倍频效率的影响。通过增加多个4F空间像传递系统提高光束质量以及增加偏振片提高基频光束偏振纯度等措施,最终获得了功率大于50W、倍频转换效率达到68%、光束质量因子M~2小于3.4、功率长期稳定性优于1%的绿光。