本论文依托中国工程物理研究院的重大预研项目"百太瓦级超短超强脉冲激光装置研制",主要从理论和实验上对超高峰值功率的钛宝石激光系统进行了深入细致的研究,并最终研制出国内最高峰值功率的钛宝石飞秒激光装置,该装置的某些技术指标达到国际先进水平.主要工作包括以下几个部分:阐述了超短超强脉冲的发展历程、需求背景以及目前国内外的发展概况.超短脉冲从最初的染料激光器发展到目前最常见的固体飞秒激光器,飞秒超短脉冲在过去20年内得到了迅速发展,脉冲宽度可以达到几个飞秒以下,峰值功率可以达到PW量级,聚焦后可以获得极高的峰值功率密度,获得极端的物态条件.可用来研究相对论领域的光与物质相互作用.系统描述了以钛宝石为介质的啁啾脉冲放大系统的各关键单元.分析了钛宝石飞秒振荡器的自锁模机理,并对腔内的色散补偿进行了讨论.重点对宽带啁啾脉冲的线性放大进行了理论分析和数值模拟.通过对不同传输模型的总结分析,选择了非线性薛定谔方程作为我们的计算模型.完成了脉冲光谱主动控制的理论分析和实验研究.啁啾脉冲放大系统中的前置高增益放大器通常为再生放大器,但是激光脉冲在再生放大器中将会产生强烈的增益窄化效应,使放大脉冲的光谱宽度变窄,光谱的变化将影响到压缩脉冲的宽度.通过主动控制脉冲光谱,研究抑制再生放大器增益窄化效应的方法,从而获得变换极限的压缩脉冲.利用声光光谱可编程色散滤波器,可以实现对脉冲光谱振幅和位相的主动控制,尽可能削弱增益窄化效应对光谱的影响,并最终获得更窄的变换极限的压缩脉宽.据悉,这是我们首先在国内进行声光光谱色散滤波器用于CPA系统的光谱整形的实验研究.对百太瓦级钛宝石超短脉冲激光装置进行了系统的实验研究.3TW前端系统主要包括飞秒振荡器及泵浦源、脉冲展宽器、再生放大器、预放大器、主放大器及脉冲压缩器等部分.前端系统没有应用声光光谱色散滤波器(AOPDF)时,可以获得150mJ/50fs/3TW输出.当应用AOPDF对放大过程中的增益窄化效应及引入的附加高阶色散进行适当的补偿,可以获得30fs的压缩脉宽,使前端系统的输出峰值功率直接提高到5TW.20TW中间放大级采用了全像传递的空间四程放大构型,这种像传递技术在超短脉冲激光系统中使用,是本装置的创新点.全系统输出的峰值功率最高可达286TW,聚焦功率密度达到8.2×10<20>W/cm<2>,这是目前国内最高的峰值功率和聚焦功率密度,该系统能够稳定运行,已提供了两轮物理实验打靶.