超短超强激光系统是当前的研究热点之一,众多基础研究和应用研究都迫切需要激光器可聚焦功率密度的进一步提升。超短超强激光系统具备的超相对论强度(>1023 W/cm2)为诸如激光-等离子体电子和离子加速、硬X射线产生、相对论自聚焦等研究领域创造了极端物态条件和全新的实验手段。但受限于器件尺寸、损伤阈值、热畸变、非线性效应等因素,目前单束光束的输出能力受到了极大的制约。采取多路光束,通过相干组束的方式来获取更高的峰值功率和可聚焦功率密度是解决这一问题的有效途径之一。尽管针对实现高效相干组束的目标,人们发展了许多重要的单元技术。然而,大口径超短超强激光的相干组束仍面临巨大挑战,具体表现在相干组束理论以及误差测量与控制技术的缺乏。本文瞄准飞秒激光脉冲相干组束过程中的基本物理问题和关键单元技术开展了理论及实验研究工作,并取得了如下成果:1.对于飞秒激光脉冲的相干组束,谱相位是一项重要的参数,对相干组束的效果具有极大影响。在时间-频率域对相干组束的基本过程进行系统地分析研究,以期理解谱相位效应对相干组束的影响机制,从而获得高效相干组束的核心物理量控制需求。结果表明:不同阶数的色散影响组束脉冲的时域强度分布,高阶色散影响组束脉冲的时域对比度,而组束数目对合成脉冲时域斯特涅尔比的影响较小。飞秒脉冲高效相干组束要求子束脉冲的剩余色散得到有效补偿。考虑到当前的技术发展水平,实际飞秒激光系统相干组束的核心控制量和难点为一阶群延迟,即飞秒脉冲的高精密时间同步,这是因为它受到振动、气流、温度变化等多种环境因素影响,而二阶、三阶、四阶色散实现静态补偿和控制即可满足飞秒脉冲高效相干组束的需求。2.纵向色差是影响大口径飞秒激光脉冲相干组束效果的另一重要因素。然而,以前的相干组束研究工作并未针对纵向色差进行系统的讨论。脉宽大于1OOfs的大口径超短超强激光系统中,由透镜组成的空间滤波器常用来进行像传递及空间高频成分滤除。基于傅里叶光学原理,开展脉冲时间延迟对组束脉冲焦点时空分布的影响研究。通过该时空交叉物理量的研究,获得脉冲时间延迟的控制需求:对于两脉宽大于1OOfs的超短激光脉冲相干组束,PTD应小于脉冲宽度的0.7倍以实现高效的相干组束;当组束数目增加后,控制需求更为严格,PTD需小于脉宽的0.4倍;对于脉宽小于1OOfs的超短超强激光系统,为实现高效的相干组束,PTD需小于脉宽的0.3倍。对于脉宽小于1Ofs的激光系统,仅可使用反射式元件以避免色差。3.针对飞秒脉冲激光相干组束急需的时间同步技术,开展超短脉冲大范围、高精度时间同步的测量与控制研究。该方法基于脉冲间相对延时引起的组束脉冲时域调制特性。采用两束237fs的超短脉冲搭建了演示实验平台,将光学互相关法与电学能量干涉法相结合,实现了脉冲间时间同步的高精度和大范围测量。脉冲间的飞秒量级同步基于光学互相关法,电学能量干涉法通过反馈闭环实现脉冲间时间同步的阿秒精度测量与控制。实验结果表明,1小时内两脉冲的PV时间同步抖动优于700as,平均相干组束效率可达91.6%。该技术有望为未来大口径超短超强激光系统的相干组束提供时间同步解决方案。4.光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)在超短脉冲激光领域是众所周知的放大技术,也是未来最有希望应用于大口径超短超强激光相干组束系统的放大技术。本文重点关注OPCPA过程中的空间光束质量变化。为简化相干组束过程的误差矫正系统以提升组束性能,不同通道的光束应尽可能多地共用光路以减少束间性能差异。多路激光共用了多个参量放大过程,仅最后一级参量放大过程是分别进行的。建立相应的理论模型,只讨论最后一级独立的OPA过程对放大信号光波前的影响,影响因素包括泵浦光波前、初始能量、空间强度分布以及相互作用长度、非共线角等。结果表明:由于强烈的非线性相互作用,衍射和走离效应对放大信号光的波前影响很小。给出了 OPA过程的变化趋势及控制需求,对实际大口径超短超强激光系统的相干组束具有重要的参考意义。