随着超快激光应用需求的不断增长，激光控制技术正面临越来越多的挑战，超短脉冲操控研究亟待取得进一步的突破与发展。在激光器谐振腔增益、色散、损耗、非线性等效应共同作用下，多脉冲展现出比单脉冲更为丰富的动力学现象。研究表明其内部脉冲间距、相对相位、脉冲个数等参量具有高度可控性，为提升多脉冲的操控维度提供了新思路。本文从超快激光多脉冲的操控机理出发，介绍了多脉冲动力学、实时观测技术及激光器控制方法，重点综述了基于增益调制、偏振控制、色散调控、光机械效应等多脉冲操控方案，分析了各方案的性能，并展望了多脉冲操控技术的发展前景。

为研究飞秒激光加工硬脆透明材料时存在的“微裂纹”与“诱导条纹”等共性工艺问题，利用飞秒时间分辨泵浦探测阴影成像技术，对飞秒激光多脉冲烧蚀石英玻璃过程中的电子动力学过程进行成像，分析了激光脉冲电离材料初期（700 fs之前）等离子体丝的演化情况。多脉冲诱导微结构的存在使成丝区域分布在微结构的两侧与光脉冲传播的轴线方向，前者主要是由微结构侧壁对光脉冲的折射造成的，而后者则是由微结构底面与侧壁形貌不同导致的光程差引起的。实验结果揭示了多脉冲加工过程中脉冲串诱导微结构对后续光场的重塑效应，该效应影响了等离子体成丝区域与能量沉积的分布，这是共性工艺问题产生的核心机制。

针对应用于可见光通信的多脉冲位置调制(MPPM)方式的性能优化问题, 提出了一种基于自编码器模型的MPPM传输设计方案。该方案分别利用全连接网络(DNN)和卷积神经网络(CNN)搭建自编码器模型, 编码器端通过采用多阶段训练策略和自定义损失函数调控, 实现了MPPM信源符号的生成; 解码器端通过全连接层或一维卷积层构建的网络完成信道和MPPM信号特征学习等功能。仿真结果表明: 基于自编码器的MPPM传输系统的误码性能可以达到且略优于传统最大似然序列检测性能。

针对相干激光雷达在低空、远距离、高动态目标探测等应用场景中存在的弱信号探测问题，基于调频连续波相干激光雷达，采用多脉冲频域相干累积方法提高激光雷达弱回波信号的信噪比。结合调频连续波理论，分析了信号幅度起伏和相位起伏对多脉冲频域相干累积信噪比效果的影响，实验结果表明，经过M脉冲周期的频域相干累积，微弱回波信号对数信噪比可提升10lg M dB，并且信号幅度起伏、相位起伏可导致多脉冲相干累积信噪比低于理想相干累积信噪比，对于均值分别为2.25×10^-4、1.65×10^-4和相对起伏幅度分别为0.69、0.93的回波信号而言，相位补偿后的回波信号在50脉冲周期内相干累积信噪比的误差因子最大为0.57%、0.3%，该多脉冲频域相干累积方法对相干激光雷达在远距离目标探测、微弱信号接收方面的应用具有重要意义。

由于提高光时域反射仪(OTDR)的发射脉冲宽度可能会导致OTDR探测电路的雪崩光电二极管(APD)产生饱和效应，从而使测量到的曲线发生平顶效应，这种平顶效应会淹没近距离的事件结果。为解决这一问题，提出了一种多脉宽组合测量的方法，将测量结果进行软件拼接，在硬件配置不变的情况下既能获得更远的测量距离，又不会因为饱和平顶效应导致近距离事件被平顶淹没，提高了OTDR的测量动态范围。

超短皮秒脉冲的峰值功率高、大能量输出困难。通过将单个脉冲分成多个相邻的脉冲,可增大脉冲包络总能量,提高激光输出功率。设计并获得光-光转化效率为39.3%的单路锁模皮秒种子激光输出,提出将单脉冲分成多脉冲的方法,利用布拉格体光栅(VBG)脉冲展宽、多脉冲生成、再生放大、行波放大及频率转换等激光技术获得脉冲间距为1 ns、输出功率为10 W、脉冲包络能量为10 mJ、单脉冲脉宽约为100 ps、光束质量为1.67、重复频率为1 kHz的532 nm百皮秒四脉冲激光输出。通过激光模块泵浦产生的热透镜效应,并通过调节泵浦电流实现对激光输出发射角的连续精确调节,获得的最小发散角为0.2 mrad。将所设计方法应用在上海天文台空间激光测距站平台上,进行多颗空间碎片测距,测距精度最优为16.44 cm。该结果表明多脉冲可增大激光总输出能量、提高激光输出功率且可为空间碎片激光测距探测能力的提升提供有效的技术途径。

在低计数率背景下X射线谱的高精度测量受X射线流的统计涨落影响, 统计涨落决定了给定探测器能量分辨率的理论极限, 而其他因素的影响则可以通过适当的噪声滤除和电子技术来降低。 以往关于能量分辨率的研究大多利用谱反卷积对获取到的能谱进行后处理, 从而降低特征峰的半高宽(FWHM)。 这些后处理方法是基于将获取到的能谱建模为输入能谱和探测器响应函数这两个随机变量的函数, 往往计算量极大, 执行效率低。 针对上述问题, 提出一种多脉冲局部平均(MPLA)算法对X射线光谱数据处理平台进行优化, MPLA算法是一种在线实时处理的谱获取方法, 该方法在动态窗口内对脉冲幅度值进行了平均。 MPLA算法涉及两项可变参数, 一是平均窗口的大小r, 另一项参数则是每一次平均的脉冲幅度数量n。 该算法的执行流程包含以下几个步骤, 首先读取第一个脉冲幅度并定位一个平均窗口, 读取成功后更新当前平均窗口的脉冲幅度和脉冲个数; 第二步, 读取下一个脉冲幅度, 每次更新后即对平均窗口内的脉冲个数进行判断, 当其小于预设的参数n时继续执行第三步, 反之则执行第四步; 第三步, 继续读取下一个脉冲幅度; 第四步, 对相应平均窗口内的脉冲幅度进行平均, 得出的平均数即为需要更新计数的道址, 然后再对取平均值的窗口内脉冲幅度和脉冲个数进行清零。 本文在理论推导部分研究了应用MPLA过程时原始概率密度函数(PDF)的转换, 推导了应用MPLA后得到的概率密度函数的解析表达式, 证明了MPLA概率密度转换后具有以下特征: (1)对称分布, MPLA保留了均值和对称性。 (2)对于单峰对称分布, MPLA减少方差, 锐化分布峰。 在实验环节中, 以铁矿样品为测量对象, 将采用MPLA算法处理后的结果与传统的成谱方法得到的结果进行对比, 结果表明在具有正态分布PDF的频谱峰值的典型情况下, 即使仅对两个脉冲高度进行平均, 变换后峰的FWHM也变窄。