基于掺Yb³⁺光纤和掺Yb³⁺晶体的飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲具有较高的脉冲能量和平均功率，被广泛应用于科研和工业生产；但受Yb³⁺增益介质增益带宽的限制，输出脉冲宽度很难小于300 fs。利用飞秒激光脉冲在多层薄板中的自相位调制效应，分别对基于掺Yb³⁺光纤和掺Yb³⁺晶体的飞秒激光器输出的飞秒激光脉冲进行非线性压缩。通过优化非线性压缩装置的各项参数，实现了对低能量、窄脉宽和高能量、宽脉宽脉冲的非线性压缩，分别获得了脉冲能量为64 μJ、脉冲宽度为42 fs和脉冲能量为315 μJ、脉冲宽度为79 fs的飞秒激光脉冲输出，第一级非线性压缩效率均超过80%，整体压缩效率分别为53%和65%。

在超快时间尺度上以二维空间分辨率揭示激光脉冲在光刻胶之间的运动过程,将有助于了解激光加工过程和优化加工工艺。然而现有记录激光脉冲在光刻胶中运动过程的成像技术都存在需要多次重复拍摄或时间分辨率受限等问题。为了克服这些问题,通过使用压缩超快摄影来观测光刻胶中激光脉冲的运动。实验结果表明,搭建的实验系统能以1.54×1011fps的帧率,单次成像数百帧的图像序列深度,实时观测到这一不可重复的超快事件。

双色激光脉冲激励气体等离子体产生太赫兹波是得到高强度宽频带太赫兹波的重要方法, 本文利用光电流模型研究了该方法中激光能量对产生太赫兹波的影响。理论计算表明, 太赫兹波随激光能量的增大而增强, 而太赫兹波的频谱结构不受激光能量的影响。分析了双色激光能量影响太赫兹波强度的原因, 并利用自由电子浓度和电子电流密度诠释了该影响的内在物理机制。该研究为提高太赫兹辐射强度提供了一种有效的途径。

基于分层散射介质传输模型的概念,建立了综合考虑非线性光学效应、湍流扰动及粒子散射的飞秒激光云雾传输模型。利用该模型数值模拟了大气湍流和粒子散射等大气扰动类型对飞秒激光传输成丝动态演化过程的影响。结果表明,大气湍流能使脉冲形状产生不规则变化,对自聚焦成丝过程中的脉冲能量流动有重要影响;粒子散射可以使脉冲能量明显衰减,从而影响光丝的形成过程;飞秒激光在云雾环境中传输时,粒子数浓度越高,粒子半径越大,则形成光丝的长度越短,成丝过程中能量衰减越快,脉冲能量的总衰减量越多。研究结果可为真实大气条件下飞秒激光实际应用效能评估提供一定的理论依据。

基于800 nm飞秒激光脉冲, 设计并搭建了长周期光纤光栅制备系统, 该系统通过采用20倍率的显微物镜将飞秒激光脉冲诱导入标准单模光纤纤芯位置, 采用水平、垂直双CCD视频监控方式实现对飞秒激光脉冲刻蚀长周期光纤光栅的逐点监测, 对未载氢处理的标准单模光纤进行了不同周期、不同周期长度和不同占空比刻写实验.研究结果表明, 当选取激光脉冲能量为1.3 mW、光栅周期为500 μm、光栅占空比为0.6时, 该光栅在谐振波长1 300 nm处最大谐振峰强度为11.65 dB, 带外损耗低于2 dB, 且光栅谐振波长随光栅长度不发生明显漂移; 通过光栅占空比的调整, 可实现刻写光栅光谱特性的优化设计, 使得谐振峰由多峰转为单峰.

用数值方法研究了各阶克尔非线性折射系数对强激光传输的影响，结果显示第7阶克尔非线性系数和第9阶克尔非线性系数协同影响激光传输，当第7阶克尔效应起作用时，忽略第9阶克尔效应的作用会导致光强随传输距离震荡剧烈，传输非常不稳定。要得到稳定传输需要第7阶克尔非线性系数和第9阶克尔非线性系数同时起作用或同时不起作用。在自聚焦阶段第3阶非线性折射率对折射率改变起主要作用，在稳定光丝传输阶段第7阶克尔非线性系数,第9阶克尔非线性系数起主要作用。第5阶克尔系数在整个传输过程中对折射率的改变一直比较小。

不同温度下利用钛宝石激光器输出的飞秒激光脉冲(脉宽42 fs，中心波长800 nm，最大单脉冲能量3.6 mJ)，通过扫描方式在硅表面诱导产生表面微结构。采用光学显微镜和扫描电镜观察飞秒激光诱导硅表面微结构的形貌，发现不同温度下硅片表面形成的微结构区域和形貌出现明显的差异。根据观测结果，分析比较了不同温度条件下硅材料微结构形成的能量阈值。随着温度升高，形成的微结构区域减小，飞秒激光诱导形成硅表面微结构的能量阈值升高。这对于研究飞秒激光与物质的相互作用有一定的参考价值，也能对将来实现硅表面微结构的制作提供参考。

数值研究了掺氧化镁铌酸锂晶体中高强度近红外飞秒激光脉冲的线性电光效应。研究结果发现，当在垂直于晶体光轴的方向上施加一定外电场使光脉冲实现最强的电光耦合时，输出脉宽在正常色散区随着输入光强的增大而增大；而在较强反常色散区，输出脉宽随着输入光强增大而减小。对中心波长λ0=1.6335 μm的光脉冲，线性电光效应可使输出脉宽产生压缩。当输入脉宽T0=5 fs和光强I0=20 GW/cm2时，最小输出脉宽为输入脉宽T0的0.76倍。而当T0>5 fs时，最小输出脉宽小于0.76 T0。若在晶体光轴方向上施加另一个电场对光脉冲进行相位调制，则最小输出脉宽的光脉冲中心波长发生蓝移或红移；随着外电场的增大，蓝移或红移量相应增大。