自啁啾脉冲放大技术被提出以来,超短超强激光得到了飞速发展,并且在物理学、化学、材料学、生物学、医学等诸多领域都有着广泛应用。这些学科的兴起也促进超短超强激光向着更高峰值功率、更短脉宽、更高信噪比、更高稳定性方向发展。目前世界上已有许多国家建立了自己的超高峰值功率飞秒激光装置,这些装置通常都采用啁啾脉冲放大技术,都会涉及到扩束、展宽和压缩等过程。这些过程通常会给激光脉冲引入显著的时空耦合效应,对焦斑、脉宽、峰值强度、信噪比等都会产生影响。本文针对常用的扩束系统、展宽器和压缩器中的时空耦合效应进行了理论分析,以数值模拟作为主要研究手段,分析了这些时空耦合效应对输出激光脉冲性能的影响,针对一些影响较大的因素提出了相应的改进及提升措施。主要内容有以下几个部分:1.介绍了高峰值功率飞秒激光装置中常见的几种时空耦合效应,针对时空畸变的几个主要来源(扩束、展宽和压缩过程)进行了简要分析。2.针对扩束系统,分析了透镜不同位置引入的时间延迟表达式,根据分析结果设计出了消畸变的扩束方案,结合数值模拟,计算了其在近场、远场处脉冲的时空特性,结果表明通过该扩束方案,可有效补偿系统的时空畸变,提升输出激光脉冲的焦斑质量。3.针对高峰值功率飞秒激光装置中常用的几种展宽器构型,定量分析了其像差引入的时空畸变效应,分析指出采用双光栅Offner构型展宽器可以解决传统构型存在严重像差的问题。通过三维建模分析了双光栅Offner构型展宽器中产生球差的三个关键因素:构型本身的离轴量、入射光位置误差以及光束口径,并相应提出了改进措施;另外,分别就展宽器中光学元件的低频、中高频面形畸变对脉冲信噪比的影响进行了详细的分析。4.利用光线追迹法分析了双光栅双程压缩器中由反射镜的偏转引入的时空畸变效应,并定量给出了依据斯特列尔比和脉宽展宽比为评价指标给出了反射镜偏转角的容限。结合光线追迹法和夫琅禾费远场衍射方法模拟了四光栅压缩器的压缩过程和离轴抛面镜的聚焦过程,分析了方形口径下四种不同波像差对脉冲的时空特性的影响,依次给出了不同条件下的误差容限。