飞秒激光脉冲具有脉冲宽度窄、峰值功率高、相干光谱宽的特点,在高端工业制造、微纳加工和科学研究中扮演着重要的角色。新技术层出不穷促进了飞秒激光技术的不断发展。目前基于单路飞秒激光放大或非线性压缩技术所获得的超短脉冲指标已经接近极限,为了获得更高的单脉冲能量或更窄的脉冲宽度,相干合成技术成为了一个新的发展方向。同时,高端加工等应用对飞秒激光的柔性传输需求也日渐凸显,近些年来出现的新型空芯光纤为高能量脉冲传输提供了一个很好的解决方案。本文针对飞秒激光脉冲的相干脉冲合成展开了系统的研究,不但通过相干脉冲合成获得高能量脉冲,也利用相干脉冲合成的方法实现了少周期激光脉冲输出。为了满足反谐振光纤传输飞秒激光脉冲的单模要求,设计了一种具有优良单模传输特性的空芯反谐振光纤。本论文的主要工作概括如下:一、系统研究了分割脉冲放大技术,提出了一种解决合成效率下降问题的方法。研究中基于数值方法,分析了双折射晶体、脉冲啁啾、分割脉冲能量偏差和非线性偏振旋转等因素对分割脉冲放大合成效率的影响。实验中搭建了掺镱非保偏大模场光纤分割脉冲放大系统,验证了模拟分析结果。为了提升分割脉冲放大系统的输出能量,设计并搭建了具有脉冲再合成光路的保偏光纤分割脉冲放大系统,克服了合成效率下降问题,为窄脉冲分割脉冲放大技术提供了一个提高合成效率的新思路。系统最终输出了脉冲宽度123 fs的合成脉冲。二、系统研究了基于掺镱光纤激光器和高非线性光纤的相干脉冲合成,实现了少周期脉冲输出。在研究中分析了影响脉冲合成结果的多种因素。首先利用数值模拟研究了非线性光纤中脉冲相对强度噪声和时间抖动之间的关系。其次用解析方法研究了父脉冲时域宽度和形状、中心波长、脉冲能量、啁啾等参数对合成脉冲宽度和质量的影响,发现了获得高质量相干合成脉冲的条件,找到了优化方法。通过保证父脉冲具有相近的脉冲宽度和脉冲能量,同时减小父脉冲时域宽度可以有效地减小合成脉冲基底,提高时域质量。基于以上理论研究,在实验中将掺镱光纤飞秒激光器输出脉冲分束后分别在不同高非线性光子晶体光纤中进行光谱展宽,输出了两个脉冲宽度小于30 fs,具有不同中心波长的脉冲,经过相干脉冲合成,获得了合成后脉冲宽度为8 fs的少周期脉冲。三、利用有限元分析的方法研究了单层和双层反谐振光纤单模传输特性,并设计了多种具有良好单模传输特性的光纤结构。研究中发展了一种抑制反谐振光纤中高阶模的方法,优化包层管的几何尺寸可以使纤芯高阶模式和包层管模式发生高效耦合并形成高损耗超模,最终有效抑制高阶模。基于以上原理,设计了具有混合包层管的单层负曲率反谐振光纤,该结构可以同时实现对前两个高阶模的抑制。在对于双层结构研究中发现,在双层结构中形成高损耗超模需要级联耦合,并设计了双层五管反谐振光纤来实现高阶模式的级联耦合。设计了延长包层管双层负曲率反谐振光纤,该光纤结构对LP11和LP21模具有105到106级的高阶模抑制比,对LP02模具有105级的高阶模抑制比。在宽光谱范围内都有良好的单模特性,基模损耗低至3.90×10-4 d B/m。