飞秒激光具有窄脉宽、宽光谱、高峰值功率等特点,是科学研究和工业加工的理想工具。光纤飞秒激光系统凭借着输出功率高、光束质量好、结构简单等优势迅速发展,然而受到光纤纤芯面积小和增益带宽有限的固有限制,很难输出高质量、窄脉宽的高能量脉冲。本论文以输出窄脉宽、高质量的高能量飞秒激光为目标,围绕光纤飞秒激光放大器中的动力学过程,对啁啾脉冲放大技术和非线性放大技术（自相似放大技术）两种光纤放大技术展开了深入的理论分析和系统的实验研究,探究了它们的优缺点,通过发挥二者优点,创造性地提出并设计了一种新的混合型光纤飞秒激光放大系统,从而获得了脉冲宽度为数个光学周期、能量为微焦耳量级、脉冲质量高的飞秒激光,为广泛用于强场物理的超强飞秒激光(1012 W-1015 W)系统提供了一种高质量的飞秒激光种子源。论文工作概括如下:一、基于含增益项的非线性薛定谔方程,建立了描述实际增益过程的脉冲放大器数值模型,通过在模型中引入掺Yb3+光纤的实际发射和吸收谱,真实体现了放大器中的增益整形作用,较为全面、准确地模拟了光纤中的放大过程。二、系统地研究了皮秒脉冲在短增益光纤中的自相似演化过程,理论和实验研究了放大器参数和种子光参数对皮秒脉冲自相似演化的影响,设计并开发了一套基于皮秒激光种子源的自相似放大系统,实现了皮秒脉冲的压缩,获得了<100fs的近变换极限脉冲。该方法作为一种脉冲压缩技术,既简化了实验装置、提高了系统的稳定性,同时利用放大过程中的非线性效应,保证了输出脉冲的窄宽度和高质量,为获得高质量、窄宽度的飞秒激光提供了合理的解决方案。三、提出基于三阶色散预补偿技术的非线性啁啾脉冲放大系统。理论推导了三阶色散在放大器中的作用过程,并数值分析了不同种子脉冲形状时三阶色散的作用,以及种子光谱陡峭程度和调制对啁啾脉冲放大系统的影响。开发了一套基于负三阶色散预补偿的啁啾脉冲放大系统,输出脉冲能量达10μJ,>90%的能量集中在主脉冲部分,脉冲宽度为280 fs。四、根据上述研究,创造性地提出了基于啁啾脉冲放大技术和非线性放大技术结合的混合型放大系统,利用脉冲预整形技术优化光纤放大链路中的色散、非线性和增益,在混合型放大系统中获得了微焦量级、小于10个光学周期的变换极限飞秒激光脉冲。利用该系统研究了飞秒激光通过纳米金棒对细胞产生光损伤的情况,为之后该种光纤飞秒激光系统在生物、化学方面的应用提供了依据。