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激光作为电磁波的一种，可以通过振幅、脉宽、载波相位和频率全面描述表征其特性。本论文针对激光光场的这四个基本物理量，通过自行设计的新型飞秒激光振荡器，系统开展了高能量飞秒脉冲激光的产生、周期量级激光脉冲技术、脉冲载波包络相移(CEO)及差频扩展频率的研究，取得的主要进展如下：
1.开展了低重复频率飞秒钛宝石激光器的实验研究，通过在激光腔内引入多通长腔(MPC)结构，将振荡器的腔长从常规的3米扩展到了15米，从而使重复频率由50MHz降低到10MHz。在5W的532nm激光泵浦下，得到了平均功率200mW的稳定输出，对应的单脉冲能量达20nJ，远高于常规飞秒激光振荡器SnJ的脉冲能量。
2.采用曲率半径150mm的凹面聚焦反射镜对，有效解决了高功率泵浦下飞秒钛宝石激光伴生直流及多脉冲等机制所引起的不稳定性问题，得到了平均功率大于1.2W、脉冲宽度77fs、对应单脉冲能量15nJ的输出结果。
3.通过全啁啾镜色散补偿技术，进行了直接产生亚10fs激光脉冲的飞秒激光振荡器研究，获得了输出光谱覆盖600-1100nm的超连续光谱。结合腔外色散补偿，测量得到了最短脉宽小于6fs、对应约两个光学周期的结果。据笔者所知，这是迄今国内从激光振荡器所能产生的最短脉冲。在此基础上，笔者进一步研究了高重复频率环形腔结构及啁啾镜与棱镜对组合补偿色散的飞秒激光振荡器，得到了重复频率大于700MHz的结果。
4.设计建立了基于自差频上述超连续激光测量激光脉冲载波包络相移的实验系统，利用笔者提出的光谱整形技术并选择合适参数的差频晶体，获得了信噪比高达53dB的稳定CEO拍频信号，为进一步通过原子钟长期稳定地锁定该CEO拍频信号提供了坚实的基础。
5.利用飞秒激光振荡器输出的具有特殊结构的整形光谱为基波，通过优化PPLN晶体的极化周期，得到覆盖3微米中心波长的宽带中红外激光。据笔者所知，这是迄今从单个激光振荡器所能输出的最宽激光光谱。