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高平均功率的超短、超强脉冲激光是现代科学发现的基本工具。受到热效应和非线性效应的制约,目前激光脉冲功率的发展进入了平台期。激光脉冲相干堆积是一种新型的时域叠加技术,可以将多个入射脉冲的能量堆积到单个输出脉冲上。在光纤系统中应用相干堆积技术既可以提升脉冲能量,又可以保证高重复频率,有希望获得高平均功率的超短、超强脉冲激光。本文研究了相干堆积技术和光腔稳相技术,给出了理论模型和控制算法,并在实验上对相干堆积技术进行了原理性验证,实现了高重复频率、高堆积效率的长期稳定脉冲输出。相干堆积系统研究的重点在于优化输入脉冲的幅度和相位,合理设定光腔相位,从而获得高脉冲能量的输出。本论文建立了Z域模型和状态空间模型,对相干堆积进行了解析分析和模拟分析,并将其扩展到多腔多级的情形。本论文搭建了基于Herriott光腔的光学系统和基于FPGA的控制系统,验证了相干堆积原理。两级三个光腔的相干堆积的实验结果表明,在98 kHz的重频下,15个脉冲的能量堆积到1个输出脉冲上,获得了11.0的峰值功率放大倍数,达到了理论值的92%;相干堆积效率为76%,接近80%的理论值;实验得到的伴随脉冲对比度为14 dB。光腔稳相是相干堆积系统中最关键的技术。光腔稳相技术研究的重点在于根据有限的脉冲测量数据,准确地反算出每个光腔的相位,并对其进行反馈控制,从而实现相干堆积系统的长期稳相输出。本论文提出了直接迭代算法、模板向量算法和随机并行梯度下降算法来检测光腔的相位。本论文还探讨了光腔的噪声理论,并研究了级联积分-梳状滤波器、坐标旋转数字计算机和比例-积分控制器等三种反馈控制算法来补偿噪声对光腔的扰动。在光腔稳相的实验中,我们测量了光腔的抖动噪声和漂移噪声,证明了基于FPGA的反馈控制系统能够有效地抑制噪声,实现了对超快激光的精确、高速、稳定控制。实验测得的系统带宽为1.5 kHz,趋近于理论极限值。两级三个光腔的相干堆积长期稳定性测量表明,在12小时内,第一级两个短光腔的相位误差分别为0.4~?(RMS)和0.7~?(RMS),第二级长光腔的相位误差为2.1~?(RMS),单堆积输出脉冲强度的长期稳定性为1.2%(RMS)。激光脉冲相干堆积具有可扩展性。分布式确定性的光腔相位控制系统是实现多腔多级相干堆积的理想选择,基于FPGA的可编程扩展方案能够同时保证相干堆积系统的高脉冲能量和高重复频率,从而获得高平均功率的超快激光。