超短脉冲激光在基础科研、工业加工等领域具有重要应用,使得输出高平均功率、高脉冲质量和高光束质量的光纤飞秒激光成为近些年来超短脉冲激光领域重要的研究方向之一。本文通过优化动力学过程,提升飞秒激光器和放大系统的输出性能,主要利用多芯光子晶体光纤为切入点构建放大系统,并对多芯光子晶体光纤进行模式选取和非线性方面的研究,进而将高功率飞秒激光应用于超连续谱的产生中。本论文的主要工作概括如下:1:建立了多芯光子晶体光纤多横模运转的速率方程,提出带有掺杂分布的七芯光子晶体光纤的新设计结构,将输出同相位超模功率占总功率的百分比从19%提高至70%,实现了多横模运转中同相位超模主导输出。2:实验研究了基于18芯光子晶体光纤的非线性放大系统,输出平均功率高达110 W且脉冲宽度83 fs的飞秒激光,是多芯光子晶体光纤激光放大系统输出的最高平均功率记录。利用光栅和滤波器组成的预整形装置优化脉冲在放大系统中的动力学过程,使得输出平均功率20 W-110 W之间的脉冲均能被压缩至百飞秒以下。3:实验研究了高峰值功率脉冲入射下,在18芯光子晶体光纤中非线性效应与输出光斑模式的变化关系。分析了入射脉冲平均功率、泵浦功率对于输出光斑模式的影响,同时利用滤波器观测不同波段光谱对应的横模模式,实现了对于多芯光子晶体光纤超模模式非线性耦合的探索。4:建立了再生放大器的数值模型,讨论了入射脉冲峰值功率、脉冲宽度和放大腔内滤波器带宽对输出脉冲的影响;实验搭建了光纤再生放大器,实现了入射脉冲13个腔内循环的稳定运转,输出放大脉冲能量20 nJ,光谱宽度约为60 nm的脉冲。5:研究了高功率飞秒激光在带隙光子晶体光纤跨带隙产生超连续谱的动力学过程,在产生560 nm-1470 nm的超连续光谱过程中,激光能量不仅在带隙间流动,也在不同模式间流动。首次在多芯光子晶体光纤中实现超连续谱的产生,获得平均功率5.4 W,输出波长500 nm-1700 nm的宽带超连续谱,研究还发现短光纤的输出光斑模式为超模的叠加态而利用长光纤则可获得同相位超模运转。