高能短脉冲激光技术的出现,为极端条件下物质特性的研究以及强场物理实验提供了条件,国际上许多国家都在规划数十PW、数百PW甚至EW激光系统的研制。然而由于工作物质的物理特性、非线性效应、泵浦技术等因素的影响,单路高能短脉冲激光的输出功率难以进一步提高,相干合成技术(将多路光束在远场进行相干聚焦)是单路激光输出能力受限条件下,获得更高功率短脉冲激光输出的有效途径之一,国内外许多高能短脉冲激光装置中都规划了多路激光的相干合成。本文针对高能短脉冲激光相干合成中的关键技术展开研究。对多路高能短脉冲激光相干合成的理论和系统进行了分析,实现了基于随机并行梯度下降(SPGD)算法的两路超短脉冲激光的相干合成,提出了一种新的基于小口径反射镜的大口径阵列光栅拼接方法,分析了波前畸变对阵列光栅压缩器输出脉冲激光时空特性的影响。论文的主要研究内容如下:1.对高能短脉冲激光相干合成的理论进行了研究,分析了振幅、同步误差、指向性误差、波前畸变、填充因子、偏振方向、色散对相干合成效果的影响,并基于相干合成的理论,对高能短脉冲激光装置相干合成进行了系统分析。2.针对高能短脉冲激光装置的特点,采用SPGD控制算法实现了多路短脉冲的相干合成。论文采用数值模拟的方法对SPGD算法中的性能评价函数、增益系数以及扰动电压的选择进行了优化;搭建了基于SPGD算法的实验平台,结合时域互相关信号,实现了两路30fs超短脉冲的相干合成;最后,探讨了SPGD算法用于多路高能短脉冲激光相干合成的适用条件。3.针对高能短脉冲激光相干合成中阵列光栅相干拼接难题,提出了一种基于小口径反射镜补偿大口径阵列光栅压缩器拼接误差的方法,实验验证了大口径阵列光栅系统拼接误差高频高精度补偿的可行性。结合相干合成的理论和阵列光栅的特点,对阵列光栅压缩器进行了系统分析;从系统稳定性和与快速运动的理论原理出发,分析了小口径反射镜补偿量与拼接误差的关系,采用光线追迹法和夫琅禾费远场衍射原理定量计算了各拼接误差补偿后对远场分布的影响,从理论上证明了原理的正确性;搭建了阵列光栅压缩器实验平台验证了该方法的正确性。4.结合阵列光栅压缩器的理论模型,分析了输入脉冲的波前畸变、光栅衍射面形变以及光栅波像差对阵列光栅压缩器输出脉冲的远场焦斑的时空特性的影响,并采用基于蒙特卡罗法的数值模拟方法分析了各误差的容许范围;最后探讨了变形镜用于阵列光栅波前畸变控制的可行性,并对变形镜相对于压缩器的位置进行了讨论。目前高能短脉冲激光相干合成技术仍处于探索和设计阶段,本文从理论和实验两个方面对其中的部分关键技术进行了分析、计算和验证,对高能短脉冲激光装置相关合成工程化实现具有重要的参考意义。