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光束近场均匀性是激光放大器的重要考核指标，直接决定了激光放大器的负载能力和安全运行系数，是激光放大器总体设计需要首先考虑的问题之一。由于窄带脉冲在高功率激光装置中对缓解自聚焦现象、抑制大口径光学元件内横向受激布里渊散射(SBS)效应上存在诸多问题，选择了钕玻璃作为高能量激光放大器的工作介质，进行小宽度脉冲放大。但是，钕玻璃的热传导系数（以N31为例:5.58W/cm℃）很低，在大能量泵浦条件下存在严重的热效应，输出光束质量会被严重劣化。同时，钕玻璃的受激发射截面比常用的激光晶体低1～2个数量级，要实现高光束质量的激光输出较困难。 本文着重研究了高能量激光放大器的光束传输和整形技术，主要内容包括以下几个方面: 1.介绍了国内外常用的光束整形装置，包括非球面伽利略型整形系统、双折射透镜组整形系统、二元振幅型面板、液晶空间光调制器，以及商用整形产品平顶切趾器和折射光束整形器。 2.立足于远场条件下的Huygens-Fresnel衍射积分，通过对衍射积分方程进行变形和推导，并结合傅立叶变换理论、线性卷积理论，推导了平行光线性传输和聚焦光束传输计算的快速算法，在此基础上编写了自由空间线性光传输的模拟计算程序。同时，采用矩阵分解和有限个复高斯函数之和逼近硬边光阑窗函数相结合的方法，分析了平顶高斯光束通过空间滤波器的传输特性。以光束传输理论和衍射理论为基础，对平顶分布光束在复杂光学系统中的传输变换进行理论推导，并编程模拟光束在激光放大器中的传输过程，为光束空间整形补偿奠定理论基础。 3.研制了一台重复频率1Hz，纳焦耳输入/百毫焦耳以上输出的全固态激光放大器。简介了此激光放大器的设计指标、技术方案和实验装置;对激光放大器的能量分布、像传递和鬼光束进行了详细的计算;并利用自由空间线性光传输的模拟计算程序，针对不同的光束软化因子、光束圆角对像传递面上的关键位置进行了模拟，重点考察这几个界面的近场分布。由于激光放大器选用LD侧面泵浦的方式，为了实现108的能量净增益，对口径为10mm×10mm的光束采取了缩束后对锥形光束进行能量放大的方案，导致在像传递面上的关键位置得到的近场分布不理想，光斑上出现了衍射现象，必须对光束空间分布进行补偿。但是，这种方案突破了钕玻璃作为激光介质时对中小口径光束进行能量放大工作频率仅为1发次/20分钟的限制，将激光放大器的重复频率提高到1Hz。 4.研究了光束空间整形的灰度补偿法。由于在激光放大器的设计中，采取了光束缩束后对锥形光束进行能量放大的方案，导致在激光器出口采集到的光斑近场调制度高达1.85∶1。液晶空间光调制器是一种高对比度、高分辨率、主动型、可编码的空间光调制器件。在液晶空间光调制器中写入灰度图像，不同的灰度对应着光束不同的透过率，通过对液晶空间光调制器各像素点透过率的控制实现了光束的振幅调制。利用液晶空间光调制器产生一定轮廓及一定软化因子的光束，对注入光束分布、放大器的增益不均匀进行修补和预补偿，同时以液晶空间光调制器所在位置定为“物面”按照像传递原则进行传输。本文在研究了光斑方位变换、形变矫正与像素对应、OTSU去噪及自适应中值滤波等光斑预处理的算法后，着重研究了光斑分块补偿的算法，编写了光束空间主动补偿软件将其应用于激光放大器中，补偿后的光束近场调制度下降到1.24∶1，光束近场调制度改善了33.0％，补偿后光束的能量为补偿前的69.6％。补偿后的光斑近场调制度这一指标远优于系统既定要求，且长时间保持稳定。 5.研究了光束空间整形的二值化补偿法。试图用二值化光阑取代透射型液晶空间光调制器，克服后者透过率低、损伤阈值低等不足，用灰度值只有0、255两种的二值化图像替代灰度值由0～255的灰度图像，依靠黑、白点的密度来控制光束的透过率。二值化光阑每点的透过率已经固定，当实验条件例如侧泵模块的电流改变时，二值化光斑也会相应发生改变，只适合于实验条件固定的场合。液晶空间光调制器可以写入二值化图像，模拟二值化光阑光束空间整形的效果，借助液晶空间光调制器研究了二值化补偿算法。为了消除环境、温度、噪音等对光斑的不均匀性造成的“随机”影响，在整形算法中引入了“误差扩散”、“抖动”算法。研究了误差扩散方向、加权系数以及阈值的选取在多大程度上降低了坏境因素对光斑近场均匀性的“随机”影响，并研究了随时间变换抖动矩阵的动态Bayer抖动算法，着重考察引入不同的“误差扩散”、“抖动”算法后，光束近场调制度会发生怎样的变化。编写了二值化补偿算法，补偿后的光斑近场调制度达到了1.27∶1，补偿带来的能量损耗为21.8％，较灰度补偿法能量提高了8.6％。同时，写入图像的灰度值不在0～255之间变化，二值化补偿不需要将液晶空间光调制器的透过率做线性化处理，减少了光束补偿步骤，节省了补偿时间。数字微透镜装置(DMD)是由许多小型铝制反射镜面组成的反射型快速数字光开关，改变反射角度可以将微镜面对应成亮、暗两种像素，每个像素编程可控，具有反射率高，损失阈值高的优势。搭建了基于DMD整形的反射型简易光路，将二值化补偿算法应用于其中，光斑的近场调制度由补偿前的1.29∶1下降到1.17∶1，改善了9.3％。