随着“量子调控”与“精密测量物理”的快速发展,迫切需要一种能够对皮秒甚至飞秒光脉冲偏振态进行高速控制的技术。但目前最快的电动偏振控制器的响应时间也只能到纳秒量级,而且还需要复杂的电学控制系统,难于实现皮秒,更不用说飞秒光脉冲偏振态的高速控制。为解决这一难题,本文在全光信号处理基础上,发展了一种全光比例-积分-微分（OPID）偏振控制新技术,以实现光脉冲的高速全光偏振控制。在国家自然科学基金的支持下,本文围绕全光偏振控制的关键技术:全光比例放大、全光微分、全光积分,以及高速扰偏、控制算法、态密度表征方法等重要问题展开深入研究,取得了以下创新性成果:1.提出了一种研究偏振态控制的态密度统计方法,相比常用的Stokes分量法,态密度方法不仅能给出偏振态均匀性指标,能甄别出存在偏振盲区的缺陷器件,而且还能准确定位器件的偏振盲区在Poincaré球上的位置。进而自主研制了一套基于压电陶瓷（PZT）挤压型高速扰偏演示实验系统,该系统利用LABVIEW软件控制,可以灵活选择算法以优化扰偏性能。应用态密度法对扰偏系统分析发现,只有两个控制单元的扰偏器无法实现偏振态遍历,存在扰偏盲区;性能良好的扰偏器至少需要三个控制单元。为突出态密度方法的优势,我们选择了商用完好的和有缺陷的扰偏器进行分析,结果表明,Stokes分量法无法区分两者的扰偏性能,而态密度法却能有效区分,而且能准确指出器件在Poincaré球上的偏振盲区位置及其大小。由此可见,态密度方法在研究偏振控制与分析偏振器件性能方面具有独特优势。2.基于可编程差分群延时（DGD）,提出了一种多功能全光飞秒信号处理方法,能实现飞秒脉冲的全光微分和全光积分,不同功能之间可灵活切换,只需调整偏振片角度即可。通过对DGD进行编程,产生合适的微分时延与积分时间窗口,获得了所需的微分与积分脉冲波形,该方法可以实现超短光脉冲的整形。设计并搭建了飞秒脉冲全光信号处理与测试实验平台,完成了400 fs高斯光脉冲的全光微分和全光积分实验,测量结果与理论计算吻合,相对误差小于10%。飞秒脉冲微分波形的测量是一个难点,因为飞秒脉冲在微分后会变得更短、更复杂,无法用示波器直接观察。为此,我们提出了测量飞秒脉冲微分波形的自相关及其反卷积方法,详细观察到了不同DGD下飞秒脉冲的微分波形变化过程。飞秒脉冲全光微分和全光积分的实现,为完成全光偏振控制迈出了最关键的一步。3.为构建完备的OPID系统,我们提出了一种基于量子阱半导体光放大器（QWSOA）的全光比例放大技术,实验结果表明,在小信号输入情况下,其线性比例放大具有高达23 d B的动态范围,满足系统要求。进而集成飞秒全光积分器与全光微分器,组建完成OPID控制系统与测试平台,成功进行了飞秒光脉冲偏振态的高速控制与稳定实验。我们使用General Photonics公司最快的扰偏器（PCD-104）随机扰动飞秒脉冲的偏振态,经过OPID控制系统稳定后,飞秒脉冲的偏振态几乎固定在Poincaré球上一点;利用高速示波器结合检偏器进行测试分析表明,飞秒脉冲的眼图在稳偏前后发生了显著变化,进一步验证了飞秒脉冲偏振态得到了高速有效的控制。以上研究成果特别是OPID偏振控制系统的完成,对超短光脉冲控制技术的研究具有重要的参考价值,有助于“量子调控”与“精密测量物理”进一步发展。