掺Yb3+光纤具有泵浦效率高、发射谱线宽和热效应小等优点，是飞秒激光放大的理想增益介质。自相似放大技术主动利用光纤中的非线性效应，输出线性啁啾抛物线脉冲，可直接去啁啾获得变换极限脉冲，非常适合用于掺Yb3+光纤激光系统，输出高功率、高能量、高峰值功率的飞秒激光，在科学研究和工业生产领域发挥重要作用。本论文以提升掺Yb3+光纤自相似飞秒激光放大系统输出性能为目的，围绕脉冲自相似放大动力学过程，啁啾脉冲放大技术和放大器增益整形作用展开理论和实验研究。论文工作概括如下：一、基于带有常增益系数的非线性薛定谔方程，在正色散光纤放大器中推导出线性啁啾抛物线脉冲自相似渐近解，以及最快演化到自相似放大状态的最优化初始脉冲能量和时域宽度。二、建立了基于掺Yb3+光纤吸收、发射截面谱的非线性脉冲放大器数值模型。首次在增益整形作用的扰动下分析了增益光纤长度，初始脉冲中心波长、时域宽度、啁啾大小和符号以及脉冲时域形状对实现自相似放大的影响。三、首次设计并搭建了非线性脉冲预整形自相似放大器。利用透射光栅对和普通单模光纤组成被动脉冲整形装置，预先优化脉冲的时域和频域参数，在2.2m长掺Yb3+光纤中实现了自相似放大，获得脉冲宽度~60fs的变换极限脉冲，降低了自相似放大对种子源的要求，实现了自相似放大系统的全光纤化。四、实验系统研究了初始脉冲啁啾符号、啁啾量和能量对非线性脉冲放大的影响。首次设计并搭建了光谱呼吸型自相似放大器，利用负啁啾脉冲放大的光谱呼吸行为减小了增益整形对自相似演化的限制，在2m长掺Yb3+光子晶体光纤中实现了超出增益带宽的自相似放大，输出平均功率23.5W，脉冲能量287nJ，脉冲宽度37fs的变换极限脉冲，是自相似放大系统输出的最短脉宽记录。五、实验搭建了全光纤自相似啁啾脉冲放大系统。在2MHz~500kHz可调重复频率范围内输出脉冲能量0.9μJ，脉冲宽度小于115fs，峰值功率近6MW的变换极限脉冲。并将该放大系统用于光子晶体波导直写实验探索。六、建立了包含自发辐射的啁啾脉冲放大系统数值模型，分析了掺Yb3+光纤放大系统的噪声和增益特性。提出利用增益整形作用可以有效减小放大系统对线性啁啾宽带超高斯脉冲的窄化和变形，同时获得高增益和高信噪比。实验搭建了掺Yb3+光纤啁啾脉冲放大系统，利用预放大级的增益整形作用预补偿主放大级的脉冲变形，在27dB增益下输出了脉冲宽度20ps，光谱宽度20nm的线性啁啾超高斯脉冲，验证了模拟结果。