由于激光等离子体加速等需求的牵引,皮秒太瓦CO2激光快速发展。然而,CO2分子增益谱的离散化与窄线宽成了该激光器发展的最大障碍。为了解决该类型激光器再生放大部分中CO2增益不连续导致的一系列频谱调制和脉冲分裂问题,本论文创新性地提出光电混合泵浦皮秒CO2激光再生放大器,提升CO2分子序列带增益占比,使序列带增益谱线与常规带增益谱线交叉重叠加密增益谱,解决增益谱离散化与窄线宽问题;提出并建立了混合泵浦的皮秒CO2激光再生放大系统结构设计及理论模型;采用混合泵浦再生放大皮秒种子脉冲,能够有效提高m J量级激光输出的能量集中度,为皮秒太瓦脉冲输出攻克关键瓶颈。本论文主要内容如下:（1）分析了皮秒CO2激光序列带与常规带的增益特性。通过对CO2分子振动转动能级结构以及振转跃迁中的能量转移进行计算及建模,结合其在不同频率下的吸收谱强度、受激辐射截面、线型函数以及碰撞线宽等因素得到了CO2激光在常规气体放电情况下的增益谱特性。CO2分子的序列带谱线与常规带谱线在频率上相互交叠,在放电泵浦下常规带增益占总增益的80%以上,序列带增益占比小于15%,且放电泵浦结构会将特征温度3T限制在1800K以下。这些特性揭示了放电泵浦对增益谱加宽的限制,并为提出光电混合泵浦提供了理论依据。（2）对比了皮秒CO2激光的五种不同谱线加宽方法。在激励过程中,工作气体的压力会将CO2分子的每条增益谱线随着压强增大而展宽,电磁场效应会使能级分裂从而加密谱线分布,同位素与选支技术会改变谱线在频率上的分布,提高序列带增益会使其增益谱线与常规带谱线交叠加密整体增益谱。对比分析表明,提高序列带增益加宽增益谱最为容易,效果最为明显,据此本文提出利用放电泵浦和光泵浦相结合的光电混合泵浦的方法,定向提高序列带增益从而加密整体增益谱。（3）设计了一种基于光电混合泵浦的皮秒CO2激光再生放大系统整体结构,并讨论了其腔体参数的选取。针对光泵浦结构对泵浦能量吸收不强的现状,设计了能够满足放大倍数为10~2～10~5的基于混合泵浦结构的皮秒CO2激光再生放大系统以及腔体结构。经过计算,确定放电区域为1×1.5×80cm~3、极板间间距为1cm、初始的E/N值为2×10-16V/cm~2的腔体结构参数。考虑到放电泵浦的建立时间为724ns,光泵浦从入射到充分吸收所需的时间213ns,以及系统中其他光学元件的延迟时间114ns,将泵浦光的注入时间设置在625ns时能够在该混合泵浦结构的再生放大中得到充分展宽的增益谱。（4）建立了光电混合泵浦提升增益谱密度的理论模型并分析了泵浦动力学过程。在光电混合泵浦理论的基础上,提出并建立了在受激辐射光吸收过程影响下的CO2激光速率方程理论模型,并全面的分析了基于该理论模型的气体放电动态。在最佳注入时间625ns下注入泵浦脉冲时,特征温度3T能突破瓶颈并达到2578K,这说明混合泵浦皮秒CO2激光再生放大器有效地增宽了CO2的增益谱线,是提高放大脉冲功率及能量集中度的潜在技术方案。（5）探究了混合泵浦下增益加宽效果以及皮秒脉冲再生放大仿真效果。结果表明采用混合泵浦结构的再生放大器相对现有皮秒太瓦激光系统中的再生放大器能将序列带增益占比提高20%以上,放大后主脉冲的能量占比提高比例达到30%以上,在腔内气压为5atm时能将主脉冲能量集中度提高到30%以上,改善程度达到385%。上述的一系列结果表明,光电混合泵浦结构能够有效实现对皮秒脉冲在高倍率放大下的功率和能量集中度的改善,为CO2激光系统多级放大输出太瓦级皮秒脉冲奠定了基础。