怵高平均功率、窄脉冲宽度的超短脉冲激光在基础科学研究、精密制造和生物医学等领域中扮演着越来越重要的角色。在众多飞秒激光器中,激光二极管直接泵浦的掺镱块材料全固态飞秒激光器具有结构紧凑、光学性能优异、简单可靠、成本低廉等优点,已成为超快激光领域的研究热点之一。特别是克尔透镜锁模的掺镱全固态飞秒激光器,不仅可以输出更短的脉冲宽度,而且输出功率也不会受到可饱和吸收材料损伤阈值的限制。但由于启动克尔透镜锁模对泵浦源光束质量的苛刻要求,它们早期的输出功率都普遍局限在百毫瓦量级。近年来,基于双共焦腔结构的高功率克尔透镜锁模激光器快速发展,已经在多种掺镱晶体中实现了瓦级平均功率输出,但其高平均功率输出的潜力尚未得到完全开发。本论文对双共焦腔克尔透镜锁模激光器的功率提升开展了系统性理论分析与实验研究,其主要内容与创新性如下。1.首先介绍了飞秒激光器的前沿应用与发展历程;然后以掺镱块材料激光器为重点,梳理了目前可产生高功率飞秒激光输出的主要手段;最后分析了飞秒激光产生中的物理效应,并给出了基于锁模主方程的飞秒脉冲稳态解。2.基于ABCD传输矩阵方法,分别对单共焦谐振腔与双共焦谐振腔的稳区分布、激光模式大小、泵浦光与激光的模式匹配以及克尔灵敏度等参数进行了理论分析,为开展实验研究提供了理论基础。基于双共焦腔结构,设计了可输出平均功率大于10 W、脉冲宽度小于100 fs和平均功率大于20 W、脉冲宽度小于100 fs的实验方案。3.利用Yb:CYA晶体开展了高功率克尔透镜锁模实验研究。采用双共焦腔结构,以CaF2为克尔介质,获得了平均功率10.4 W、脉冲宽度98 fs的脉冲激光输出,输出参数达到国际领先水平。相应的单脉冲能量和峰值功率分别为0.12μJ和1.14 MW。激光器1小时内的功率稳定性优于0.3%,光束质量M2小于1.4。进一步,利用一块长3 mm的LBO晶体对振荡器输出激光进行了倍频,得到了48%的倍频效率。