为了提高应用于光纤激光器的多量子阱半导体可饱和吸收镜（SESAM）的特性参数，对其结构进行优化，模拟分析了不同量子阱周期数对器件电场分布、调制深度及反射光谱等参数的影响，结果表明，SESAM中吸收层量子阱周期数越大，SESAM在1064 nm处的反射率越低，调制深度越高，在低反射率处的带宽越窄，可饱和吸收镜对生长误差的容忍度也越小。利用金属有机化合物气相沉积（MOCVD）方法对3种量子阱周期数结构的SESAM进行外延生长，通过非线性测试及锁模实验对3种结构的样品进行测量与表征，结果表明，3种结构的SESAM均实现了自启动锁模，其稳定锁模的泵浦区间为150~200 mW。采用泵浦探测技术对15个量子阱周期的SESAM进行动态响应测试，其响应恢复时间为5 ps。

聚焦光场强度是超强超短激光与物质相互作用实验中最为核心的技术指标之一。本文提出了10 PW激光系统在真空条件下聚焦光场的参数测量方案，解决了终端物理靶场在真空环境中难以实现激光参数准确测量的难题。该方案通过平场消色差物镜和大口径光学器件优化设计，降低了取样测量系统引入的色差和单色像差。利用理想光源对取样测量系统进行标定，结果显示，该系统引入的波前畸变峰谷值（PV值）为0.106 μm，均方根值（RMS值）为0.016 μm，接近测量仪器的最小极限值，对主激光测量误差的影响可以忽略。同时，取样测量系统实现了终端变形镜与波前探测器的严格物像共轭关系，保证了自适应光学系统波前校正效果最优。通过对比空气条件和真空条件下的波前和焦斑测量结果，验证了取样测量系统的有效性。在真空条件下，利用该取样测量系统对激光脉冲进行波前、焦斑测量和优化，获得了接近衍射极限的聚焦焦斑。2.7 PW激光脉冲经焦距为2000 mm的离轴抛物面镜聚焦后，聚焦光强可达到4×10²¹ W/cm²，能为物理实验提供极端的物理条件。

光子集成器件以极低的成本和功耗实现覆盖从光源、调制、非线性频率转换、光放大到光探测的全功能单片集成，对光电信息处理系统产生显著而深远的影响，并推动一系列诸如高速通信、人工智能、量子信息，以及精密测量等重大应用领域的持续发展。近年来，铌酸锂薄膜光子器件得益于离子揭膜技术和微纳刻蚀工艺的进步，以宽的工作窗口、低的传输损耗、大的调制带宽、高的非线性光学转换效率和兼容大规模光子集成等优点，在集成光子学领域占据重要一席之地。本文介绍了利用超快激光光刻结合化学机械抛光技术在掺杂有源发光稀土离子的铌酸锂薄膜衬底上实现片上激光与光放大的最新进展，包括在波导放大器中实现了超过20 dB的最大内部净增益，并且在高品质铌酸锂微盘中演示了具有454.7 Hz窄线宽的电光可调谐单频激光器，演示了单片集成的电驱动微环激光器，以及连续光刻方式实现的无源/有源混合集成器件。

实时表征超快激光的时域特性是一项非常重要且很有挑战性的工作。现有方法通常仅限于在少数空间点或者二维空间内观测超快激光的传播过程，无法完整记录超快激光在介质中的传播过程，尤其是涉及超光速运动时。作为一种新方法，光场层析技术通过结合智能算法和新型的光学设计，能够以皮秒级时间分辨率对超快现象进行三维成像。笔者借助该技术捕获了超快激光在三维空间中的超光速运动，并证明了在测量超快激光的时空特性时完整考虑激光三维传播过程的重要性。

近年来随着计算机性能的提高，机器学习中的神经网络发展迅速，在诸多领域中得到了成功的应用。在超快光学中，基于神经网络技术的一些应用在过去几年中也受到了越来越多的关注，例如脉冲表征、光纤激光器的锁模、多模光纤传播动力学、非线性动力学的预测以及脉冲传播等。综述了神经网络在超快光学中已经实现的一些应用，包括实验过程中激光器的自调谐、超快传播动力学的表征和控制以及实验数据的处理和物理规律的发掘，展望了未来的应用前景并分析了面临的挑战。

当超短脉冲进入高非线性光纤时，在色散和非线性效应的共同作用下，脉冲频谱中会产生一些新的频率分量，使得输出频谱比输入频谱宽得多。这种光谱被称为超连续谱。超连续谱光源具有光谱范围宽、方向性好、亮度高、空间相干性好等优点。在锁模激光器中，传统孤子、耗散孤子和类噪声脉冲可以作为种子源产生超连续谱。文中，笔者建立了一个NPR被动锁模光纤激光器来产生脉冲激光。然后，添加一段DCF以补偿腔中的色散，从而产生耗散孤子。同时，通过调节腔内PC，可以实现束缚态和耗散孤子的状态切换。输出脉冲经10 m单模光纤压缩后注入部分拉锥后的高非线性光纤以产生超连续谱。实验中，我们得到了脉宽为5.6 ps、重复频率为32 MHz、信噪比为52 dB的耗散孤子锁模脉冲，压缩后的脉冲宽度为868 fs，用作超连续谱产生。超连续谱的覆盖范围约为1200~2200 nm，其20 dB谱宽为357 nm。通过调节偏振控制器，实现耗散孤子脉冲与束缚态脉冲之间的切换，束缚态脉冲持续时间为1.4 ps，脉冲间隔为14 ps，信噪比为51 dB，产生1600~1870 nm的超连续光谱，20 dB的光谱宽度为135 nm。

Infrared femtosecond optical vortices open up many new research fields, such as optical micro–nano manipulation, time-resolved nonlocal spectroscopy in solids, vortex secondary radiation and particle generations. In this article, we demonstrate a femtosecond optical vortex laser system based on a two-stage optical parametric amplifier. In our experiment, 1.45 μm vortex signal pulses with energy of 190 μJ and 1.8 μm vortex idler pulses with energy of 158 μJ have been obtained, and the pulse durations are 51 and 48 fs, respectively. Both the energy fluctuations of the signal and idler pulses are less than 0.5% (root mean square), and the spectral fluctuations are less than 1.5% within 1 hour. This type of highly stable femtosecond optical vortex laser has a wide range of applications for vortex strong-field physics.

应用于掺镱(Yb)光纤激光器的半导体可饱和吸收镜(SESAM)需要具有较高的调制深度，即将较厚的砷化铟镓(InGaAs)材料作为吸收层。然而，InGaAs材料与砷化镓(GaAs)衬底之间的大失配，导致过厚的InGaAs材料质量极易恶化，影响锁模效果。因此，优化的外延结构设计和高质量的外延材料成为研制高性能SESAM的关键。本文设计了吸收层InGaAs材料总厚度分别为150 nm和300 nm的两种应变补偿多量子阱(MQW)结构的SESAM，利用金属有机化合物气相沉积(MOCVD)方法进行外延材料生长，采用光致发光光谱仪、高分辨X射线衍射仪和分光光度计对外延材料特性进行表征，优化外延材料生长参数。将研制的两种SESAM应用到线型腔掺Yb光纤激光器中，实现稳定锁模的泵浦功率分别为130 mW和120 mW，输出激光脉宽分别为18.3 ps和9.6 ps。实验结果表明，吸收层InGaAs材料厚度为300 nm的SESAM更容易实现稳定锁模并获得脉宽较窄的激光脉冲输出。

具有深微孔结构的铌酸锂晶体可以成为具有优良光波选择性调制功能的光子晶体器件。然而，目前使用的聚焦离子束刻蚀、化学刻蚀或常规激光制孔等方法很难获得光子晶体所需的高深径比微孔。本文基于飞秒脉冲高峰值功率、超短脉宽的基本特点，通过对光束进行贝塞尔整形以及对光束与铌酸锂晶体的相互作用进行调控和研究，用飞秒单脉冲在铌酸锂晶体内部一步制备出深径比约为700∶1的大面积均匀微孔阵列。测试结果表明，设计并制备的高深径比微孔阵列光子晶体结构对450～510 nm波长范围内的光束具有明显的选择透过性。