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自2003年国际上首次实现拍瓦级飞秒激光输出以来，超强超短激光进入拍瓦(PW:1015W)时代并迅速地发展，使得人们可以在实验室条件下创造出前所未有的极端物理环境，从而为强场激光物理的研究创造了先进的实验条件。拍瓦级飞秒激光系统兼具超高峰值功率和超短脉冲宽度，其聚焦峰值功率密度可达1022W/cm2，使激光与物质的相互作用步入了相对论光学的范畴。因此，拍瓦级飞秒激光不仅促进了一些前沿学科（诸如等离子体物理，激光尾波场电子加速，质子成像和阿秒光学等）不断取得重大突破，还成为了军事和医学等领域的重要研究工具。目前，世界各国主要的激光实验室正以十拍瓦甚至更高峰值功率为目标争相展开研究工作，以期推进各领域的发展和对未知的探索。 本文依托中科院上海光机所强光实验室研制的拍瓦级激光装置以及中科院上海光机所与上海科技大学联合实验室研制的上海超强超短激光装置(SULF)，主要围绕数百焦耳量级的高能量宽带啁啾脉冲放大(CPA)和光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)的放大性能开展了研究，研制了适用于OPCPA和CPA的千焦耳高能量泵浦源并研究分析了其各项关键单元技术，在基于大口径LBO晶体放大器的OPCPA-1.0PW和大口径钛宝石放大器的CPA-10PW实验上均取得了重大进展。本论文的工作内容主要包括: 1.建立了求解三维耦合波方程组的时空数值计算模型，从时间和空间上分析了OPCPA的放大性能及其低转换效率的根本成因。基于对OPCPA放大性能的分析，提出了两种在维持增益带宽的同时，提高OPCPA转换效率的优化方法，包括基于共形包络理论的信号光光谱整形和基于两种几何构型的多程非共线OPCPA结构。依据优化方案，设计了一台可以支持十拍瓦输出的百焦耳量级基于非线性晶体的OPCPA终端放大器。关于两种优化方法的论文分别发表在由SCI收录的Optics Communication和Optics Express杂志上。 2.以实现十拍瓦激光峰值功率的输出为目标，兼顾OPCPA和CPA技术对泵浦源的需求，研制了适用于OPCPA和CPA的千焦耳高能量泵浦源，并针对系统整体集成和各项关键单元技术开展了研究，包括千焦耳泵浦源的总体设计结构、泵浦源的前端及自动准直设计、泵浦光的传输与准直、千焦耳泵浦源的激光放大器以及大口径KDP倍频器等。 3.搭建了一套基于钕玻璃棒状和片状放大链的适用于OPCPA的泵浦源系统，最高输出能量为170J@527nm，从而实现了基于100×100mm2口径LBO晶体的终端放大器在0.82J种子光注入和169.1J泵浦条件下输出45.3J的单脉冲能量，相应的转换效率为26.3％。在72％的压缩效率条件下，获得了32fs的压缩脉冲，激光峰值功率超过1PW。实验验证了基于以CPA为前端以OPCPA为终端的混合式放大方案用于获得拍瓦级飞秒激光脉冲的可行性。 4.搭建了三套基于钕玻璃放大器的适用于CPA的泵浦源系统，分别是:基于钕玻璃棒状放大链最高可输出2×50J@527nm的泵浦源、基于钕玻璃棒状放大链最高可输出4×70J@527nm的泵浦源以及基于钕玻璃棒状和片状放大链最高可输出650J@527nm的泵浦源，满足了10PW激光装置中高能量CPA放大器对泵浦源的需求。 5.时域双脉冲泵浦方案抑制寄生振荡和横向放大自发辐射。基于φ235mm钛宝石晶体的CPA终端放大器，在140J种子光注入和620J泵浦条件下输出339J的单脉冲能量，相应的转换效率为32％。在64％的压缩效率条件下，测得了21.0fs的压缩脉宽，对应于10.3PW的激光峰值功率输出。实验证实了时域双脉冲泵浦方案可以降低钛宝石放大器对泵浦-信号相对延时的敏感度;也证实了结合时域双脉冲泵浦方案和对低掺杂浓度钛宝石采用更接近钛宝石折射率的匹配液进行包边的方法对于抑制大口径钛宝石晶体在放大过程中的寄生振荡和横向放大自发辐射的有效性。