高功率高能量飞秒光纤激光系统通常采用主振荡器加功率放大器结构。在放大飞秒脉冲时，非线性效应是制约脉冲能量的主要因素。基于传统啁啾脉冲放大技术的光纤激光系统虽然能够产生能量在1 mJ量级的飞秒脉冲，但是所产生的脉冲通常在200 fs以上，无法直接满足能量要求较低（1~100 µJ范围之内）、脉冲宽度却更短（60 fs以下甚至更短）的应用需求。与啁啾脉冲放大技术通过展宽脉冲而减少非线性相移相反，非线性放大故意保持脉冲的宽度在皮秒量级从而积累大量的非线性相移，导致放大后脉冲的光谱展宽为输入光谱的数倍，经过传统光栅对压缩后能够产生60 fs以下的近变换极限脉冲。本文主要以掺镱光纤放大系统为例，重点介绍自相似抛物线脉冲放大、预啁啾管理放大、增益管理放大和非线性分脉冲放大四种非线性光纤放大技术的工作原理、发展现状以及未来趋势。将提出的预啁啾管理分脉冲放大与多路相干合成相结合，有望产生重复频率1 MHz、平均功率超过1 kW、脉冲能量1 mJ左右的亚50 fs脉冲。这种千瓦级高重复频率、高能量飞秒脉冲源在基础科学、激光加工等领域中具有潜在的应用。

设计并搭建了重复频率长时精确锁定的783 nm飞秒光纤激光器。该激光器基于全保偏非线性干涉环镜(NALM)，实现掺铒光纤振荡器锁模脉冲输出，由与脉冲分离器级联的环境稳定掺铒光纤双级放大器进行功率放大，实现了平均功率1.30 W、脉冲宽度130 fs、重复频率77.1 MHz、1560 nm脉冲输出；通过周期极化铌酸锂(PPLN)光学晶体倍频，获得了平均功率为0.52 W、脉冲宽度为140 fs、783 nm脉冲输出。通过重复频率监测及锁相环技术，进一步将掺铒光纤振荡器的重复频率溯源至参考铷原子钟，12 h内频率抖动峰-峰值为5 mHz、标准偏差为1.2 mHz。该激光器系统具有稳定性高、集成度高、体积小的特点。