超快激光的多模光纤非线性传输过程受到模间色散、自成像效应、随机耦合等因素影响,表现出丰富的动力学特性以及复杂的物理机制,为研究跨学科非线性问题提供了崭新的实验平台。因此,实时观测多模超快激光非线性动力学过程,研究其物理机制,开展跨学科问题类比分析研究,具有重大科学意义。然而,这一目标的实现对实时光学测量技术提出了新的挑战,涉及多维度信息实时获取、多通道信息精确同步、高时频分辨率、长记录时间等难题。针对以上难题,本论文从时空锁模理论模型出发,搭建时空锁模多模光纤激光器,研发实时散斑分辨时间-光谱测量技术,开展时空锁模多模超快激光非线性动力学研究,结合理论模拟剖析其物理机制,主要成果包括:（1）基于广义多模非线性薛定谔方程,建立了时空锁模多模光纤激光器的理论模型并进行三维数值模拟,通过在模型中增加纤芯偏离的空间滤波效应,突破了传统一维模型无法观察三维图景的局限,分析了时空锁模多模光纤激光器中三维孤子数值解的时间、空间、频率特性,探索了时空锁模多模光纤激光器中包括脉动、孤子分子振动、孤子爆炸等动力学过程。（2）研发了由信号空间放大、时分复用散斑信息采集、时间拉伸以及实时采集四部分组成的多散斑时频同步实时观测系统,实现了时间分辨率12.5 ps,光谱分辨率0.02nm,空间分辨率10μm的时间-空间-光谱多维度实时同步观测;搭建了时空锁模多模光纤激光器,在时间-空间-光谱多维度对三维孤子进行了表征,首次发现了散斑时频动力学过程的多样性。基于多散斑时频同步实时观测系统发现了时空锁模在形成、分裂、呼吸、湮灭过程中的动力学行为。利用场相关等数据处理方法进一步分析了三维孤子的时空相互作用。通过拓展多散斑时频同步实时观测系统的空间通道数,对时空锁模多脉冲演化过程进行了更高维度的实时测量及分析。开发了快速模式分解算法,搭建了高维光场横向强度-相位分布实时测量装置,对时空锁模激光进行了实时模式分解,实现了300个模式能量占比分析和模式分解,并开展了三维光场重构。（3）进行了三维孤子分子的数值模拟和实验研究,发现了三维孤子分子时频动力学特征的散斑差异性。实验研究了三维孤子分子时间-光谱动力学的物理特性,结合理论模拟分析了其中瞬态现象的物理机制,如孤子分子与自由孤子之间的相互作用、孤子分子的内在作用、以及孤子分子长期时空演化。数值模拟表明,各模式间脉冲演化差异是引起散斑动力学多样化的原因。通过三维光学类比,提供了一种强有力的跨学科方法,用于解决分子科学中实验上难以直接验证的问题。