得益于飞秒激光独有的时间特性,其在科研、工业加工、医疗等领域有着广泛的应用。这些应用也进一步推动着飞秒光源的发展,比如高次谐波及阿秒科学促进了少周期、高平均功率飞秒放大器的发展,精密计量及光学频率梳促进了高重频飞秒振荡器的发展,而强场物理实验比如激光尾波场加速,实验室天体物理和质子加速等则极大地推动着高峰值功率高对比度超强激光系统的发展。因此提升飞秒激光的时域参数比如脉冲宽度、重复频率、时间对比度等将对飞秒激光的应用实验提供极大的便利。同时,考虑到飞秒激光放大器本身较为昂贵的价格,这限制了其用户量,因此发展便捷的低成本的飞秒激光放大器同样意义重大。本论文重点对飞秒激光的时间特性的性能提升进行了一系列的实验研究,主要包括皮秒激光脉宽非线性压缩至飞秒量级、重复频率达GHz的飞秒光学参量振荡器（Optical Parametric Oscillator,OPO）、飞秒OPO注入钛宝石放大器对比度提升等内容的研究。本论文所包含的核心研究内容和取得的原创性成果如下:1.开展了基于Multi-Pass Cell（MPC）的皮秒激光脉宽压缩实验,首次基于块状材料展宽Nd:YVO4皮秒再生放大器的光谱,通过两级级联MPC装置,将1kHz,230μJ,11.6ps的激光脉冲压缩至172fs,光谱由0.26nm展宽至18.06nm,压缩后脉冲能量为117μJ,系统总效率为51%;进一步,通过使用3英寸的凹面反射镜作为MPC的腔镜,对8kHz,1.65W,12.5ps的激光脉冲进行光谱展宽,实现了皮秒激光111次通过克尔介质,光谱由0.192nm展宽至4.69nm,脉宽压缩至601fs,实现了单级MPC装置光谱超过20倍的展宽和脉宽超过20倍的压缩结果,这是基于块材料的MPC装置最高单级脉宽压缩比。同时对比了压缩前后激光的平均功率稳定性和光束质量,结果表明功率稳定性和光束质量受MPC装置的影响较小。2.开展了全固态飞秒振荡器泵浦的GHz飞秒光学参量振荡器（OPO）研究。采用环形腔结构,首次实现了绿光泵浦的重复频率在GHz以上的参量振荡,信号光的重复频率为泵浦源的15倍,信号光光谱调谐范围为700nm-1003nm,最高平均功率430mW,最窄脉冲宽度117fs,光束质量接近基模。进一步,通过按比例改变OPO腔长的方式,实现了信号光重复频率以75.5MHz为间隔,从755MHz-1.43GHz的调节,其中1.43GHz为已经报道的绿光泵浦的最高重复频率信号光,其平均功率为22mW,中心波长为750nm。3.开展了利用飞秒OPO技术对钛宝石放大器对比度进行提升的实验及理论研究,首次使用飞秒OPO作为种子源进行钛宝石再生放大实验,经过展宽、放大及压缩,实现了脉冲能量1.8mJ,脉宽96fs,±30ps的时间尺度范围内接近107的时间对比度结果,相比于传统的以克尔透镜锁模的钛宝石飞秒振荡器作为种子源,放大后的激光脉冲的时间对比度提升了超过1个数量级。为了进一步缩短压缩后的激光脉宽,发展了中心波长接近800nm的宽光谱OPO,并将其注入钛宝石再生放大器中,得到了脉冲能量1.8mJ,脉宽25.6fs,±30ps的时间尺度范围内106的时间对比度结果,相比于钛宝石振荡器作为种子源时脉冲宽度有所缩短,对比度提升了接近1个数量级。4.为了进一步的提升钛宝石激光脉冲的对比度和脉冲能量,对交叉偏振滤波（XPW）效应进行了理论计算,对比了（001）和（011）两种BaF2晶体切割方式的XPW转化效率。计算结果表明,入射激光功率密度和晶体厚度的变化均会影响效率极大值时的β值（入射激光偏振方向和晶体x轴的夹角）,且在低功率密度及短晶体的实验条件下,（011）切晶体在转化效率方面具有优势,而当晶体厚度较厚或入射激光较强时,（001）切晶体的转化效率要高于（011）切晶体。