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超快激光以其短的时间分辨精度、高的峰功率密度为研究极端条件物理、光与物质的非线性相互作用机制提供了强有力的技术手段；也因此在新型光源、超快过程以及信号的高灵敏探测等研究中发挥着日益重要的作用。本文对超快激光在以自由电子激光(FEL)为代表的先进光源和光参量高灵敏探测的几个重要应用进行了探索性研究。首先研究了超快激光在高平均功率和短波长全相干FEL方面的应用，然后对利用超快激光的光参量放大效应的高灵敏成像与时间选通三维成像，进行了理论与实验方面的探索。
本研究主要内容包括：⑴在物理建模与数值计算的基础上，进行了FEL谐振腔光学系统的设计与初步优化；用数值模拟方法研究了输出脉宽的时域与功率特性，相关结果被俄罗斯物理学报接收(Bulletin of the Russian Academy of Sciences：Physics.76，(2012)：622-625)；同时为实现FEL稳定运转，提出了基于功率谱反馈机制光腔四维主动控制的解耦合方法。⑵提出了FEL中谐波强度计算与基频衍射计算相结合的二维优化方法，并进行了数值模拟；率先开展了高平均功率谐振腔运转时腔镜面型改变对于FEL输出模式影响的数值计算研究。⑶针对优化的高平均功率运转的FEL放大器，利用数值计算评估了种子激光参数对放大性能的整体影响，提出了一种以OPA作为种子注入的高平均功率运转方案，可实现高平均功率FEL的波长精确调谐。已申请发明专利(201110011395.1)。⑷提出了利用全固态深紫外激光源，实现水窗波段(2-5nm)全相干FEL的高增益高次谐波产生(HGHG)的新途径。并根据该方案对种子激光的指标要求，率先开展了百飞秒级深紫外激光脉宽的理论与实验研究：基于超短脉冲相互作用的三波耦合方程，建立了相应的数值模型并进行初步计算；利用强度互相关的方法实现了深紫外(DUV)飞秒脉宽的实验测量，上述结果属国际首次，相关工作已提交Optics Communications。⑸应用光参量放大的微弱信号探测方面，采用～20ps的短脉冲，实现了超过4个量级的平面目标的图像增强，以及目标的时间选通的等高线成像及三维目标重建。相关工作已发表在Chin.Phys.Lett.29，(2012)：054213。⑹从空域与时域两方面研究了OPG高灵敏成像信噪比的提升途径：为提高空域内的图像信噪比，提出了光学杜比方法，相关结果已申请发明专利(201110278885.8)。时域信噪比的研究方面，基于Mie散射理论建立物理模型，并利用Monte Carlo方法进行了混浊介质散射过程时间选通的数值仿真.用计算证明了OPA超短脉冲距离选通对时域信噪比的提升。