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由于广泛的应用，超短脉冲激光是激光领域最活跃的研究方向之一。但传统的超短脉冲激光器不仅技术复杂，而且多数需要采用特殊的泵浦源，导致这类激光器件娇贵，只能局限于一些专门的实验室。因此，发展可用半导体激光直接泵浦的超短脉冲激光技术与器件，具有重要意义。本论文旨在研究高效率、低成本、结构紧凑、简便易用的新型超快激光光源。
本文的主要内容和取得的创新成果包括以下几个方面：
1.新型掺镱激光介质Yb：YGG晶体的激光特性研究。Yb：YGG晶体具有和Yb：YAG晶体类似的机械和热力学性能，其主发射峰处的荧光谱宽约为22nm，是Yb：YAG的四倍，理论上可以支持小于100 fs的超短脉冲产生。实验中采用光学浮区法生长的掺杂浓度为10 at％ Yb：YGG激光晶体，在6.7 W的LD入射功率下，获得了2.65 W的连续激光输出，相应的光光转化效率39.5％，斜效率84.5％，这是在常规制冷条件下得到的最好结果之一，相关结果发表在Opt.Lett.36，472-474(2011)。采用半导体可饱和吸收镜启动锁模，GTI镜补偿腔内色散，首次实现了Yb：YGG激光的飞秒运转，输出功率为570 mW，脉冲宽度245 fs，脉冲的中心波长为1045 nm，相关结果发表在Opt.Lett.34，3316-3318(2009)。首次实现了基于碳纳米管饱和吸收体的Yb：YGG的被动锁模。该项工作在实验上证实了Yb：YGG激光晶体是一种既能支持高功率大能量运转，又能支持超短脉冲产生的，高效率的优质的超快激光介质。
2.新型掺镱激光介质Yb：(Y0.9La0.1)2O3陶瓷的激光特性研究。采用掺杂浓度为5at％的Yb：(Y0.9La0.1)2O3陶瓷，在最大吸收功率4 W时，获得了1.73 W的连续激光输出，转换效率为42.6％，斜效率为60.2％，中心波长位于1075 nm，这是目前在该陶瓷上获得的最高效率。采用SESAM作为被动锁模元件，在没有补偿色散的情况下得到了1.2 W、3.1 ps的锁模激光输出，重复频率为87.7 MHz，这是目前在Yb：(Y0.9La0.1)2O3陶瓷上得到的最短脉宽。相关结果已经整理成文并投国际会议。
3.自主设计开发了一套LD泵浦的重复频率锁定的皮秒激光再生放大系统。其中种子源采用的是被动锁模的Nd：YVO4激光器，谐振腔采用了具有超大稳区空间的创新设计结构，实现了高功率、高稳定、高光束质量的被动锁模皮秒激光的输出。在20 W的入射泵浦功率下，得到了4.1 W的稳定锁模输出，光光转换效率20％，输出脉冲宽度为15.6 ps，重复频率59.5 MHz。重复频率的不稳定度优于10-10，对应同步精度小于300 fs。再生放大部分采用的是连续的Nd：YAG侧面泵浦模块。采用平凸腔有效补偿热透镜，获得了1 mJ的能量输出，重复频率1 kHz，能量稳定性优于1％(RMS)。上述系统的性能指标达到了同类工作的国际先进水平，已经通过了上海同步辐射源项目组的验收并已投入使用。当采用脉冲式的Nd：YAG侧面泵浦模块时，我们在1kHz的重复频率得到了大于2 mJ的1064 nm脉冲输出。相关结果已经在国际会议上报道。
4.首次实现了LD泵浦的Nd：GGG准三能级激光的连续被动锁模。稳定锁模时的平均输出功率为320 mW，输出脉冲宽度22.7 ps，重复频率82.4 MHz，中心波长位于937.4 nm。相关结果已经在国际会议上报道。