体布拉格光栅(volume Bragg grating,VBG)是一种折射率型位相光栅,其折射率周期变化发生在基底材料内部。按照结构的不同可分为透射式T-VBG(transmitting VBG)和反射式R-VBG(reflecting VBG)两种,两者的物理本质相同:布拉格衍射过程视为光波被声波的弹性散射过程。布拉格衍射不仅对角度有选择性,还对波长有选择性,VBG独特的衍射特性就在于此。基于VBG的光谱组束技术正是利用VBG的衍射特性,在谱域将不同波长的激光合成一束,实现功率叠加。按照组束前后光束口径的叠加方式,光谱组束属于共孔径组束方式,其在一定程度上缓解了单台激光器功率提升的增益介质热效应、非线性效应、损伤等物理限制,是有效提升激光功率而光束质量得以保持的组束技术之一。光束质量是评价激光传输和聚焦特性的重要依据,高能激光与物质相互作用的效应与光束质量密切相关,因而组束输出光束质量是VBG光谱组束系统的重要问题。本论文主要围绕基于VBG的光谱组束输出的光束质量分析,从VBG和子束两方面进行了较为深入的研究:具体包括 R-VBG(reflecting VBG)、T-VBG(transmitting VBG)的衍射特性、空间色散特性、热力学特性等与子束的光束尺寸、谱宽、发散度等多方面因素。全文主要研究内容包括以下几个方面:(1)在无穷大平面波子束的衍射效率基础上,推导了实际子束在谱宽、发散和有限尺寸下的平均效率公式。分析了子束平均效率受子束谱宽、发散度、光束尺寸的影响规律。分析结果表明:入射子束的谱宽越宽、发散度越大、尺寸越大,子束衍射的平均效率越小。(2)分析了光束在偏离布拉格波长入射时衍射光的光谱方向性。在光束偏离布拉格角入射时衍射光的角谱方向性的分析基础上,从理论和实验上研究了衍射光的光谱方向性,并提出角谱空间色散量、光谱空间色散量来表征VBG的空间色散。其意义在于:VBG的角谱空间色散、光谱空间色散对实际子束引入的额外发散。研究结果表明,子束偏离布拉格条件(包括布拉格角和布拉格波长)入射时,其衍射光方向依据Heaton的矢量理论(Ewald sphere vector model,ESVM)确定;T-VBG 与 R-VBG 相比,在相同入射角度和波长下,两者的角谱空间色散量相差不大,但T-VBG的光谱空间色散量较R-VBG大。R-VBG在光栅矢量倾角接近正交时其光谱空间色散量很小,在正交情形时甚至不存在。(3)考虑VBG的色散与实际入射子束条件耦合,建立了单级VBG衍射光束质量分析模型。分别讨论了子束谱宽、发散度对单束输出及子束光谱中心不稳定、光轴抖动对组束输出光束质量的影响,其结果是:子束谱宽、发散度与VBG空间色散作用对单束衍射子束引入额外发散,子束光谱中心不稳定、光轴抖动主要影响组束输出的远场重合度。在单级VBG衍射光束质量模型中,研究结果表明衍射光束质量与VBG的刻线密度和子束的尺寸、谱宽、初始光束质量有关,VBG的刻线密度越大(即空间周期越小),子束尺寸越大、谱宽越宽、初始光束质量越差,衍射后光束质量劣化越严重。(4)建立了一个强激光与VBG作用的热传导分析模型,采用有限元方法求解模型理论上能得到VBG任意位置处的温度场分布。从理论和实验上分析了 VBG的热效应对其衍射效率及衍射光束质量的影响。研究结果表明:光谱组束系统中透射子束对VBG的热贡献占主要部分;VBG受热引起光栅参数变化,主要体现在体膨胀引起VBG刻线密度(空间周期或空间频率)变化,导致VBG的布拉格波长向长波方向产生热致漂移;另一个不利影响是VBG受热引起表面形变,产生类似“正透镜”作用,对透射子束和衍射子束的波前带来不同的影响,引起组束后的光束质量测量值偏大。对VBG表面对流均匀冷却方式的模拟结果显示了良好的效果,在实际组束系统中冷却措施应加以考虑。(5)进行了基于VBG的百千瓦光谱组束系统可行性分析。在当前VBG制作技术成熟度及高质量子束研制水平下,针对百千瓦应用目标,在一定假设下设定了 VBG和子束的边界条件。分析结果表明当前高效复用VBG的制作仍存在一定困难。实验上对一个两通道组束系统进行通道间隔优化与角度补偿热效应,获得了 2.5 kW最高功率输出,为目前报道最高,组束功率<1.5 kW时,组束输出能保持好的光束质量,组束功率>2kW时光束质量迅速恶化。在最大组束输出下,光谱功率密度无显著下降。通过上述几方面工作,我们对VBG用于高功率光谱组束系统的光束质量影响因素有了较为深刻地认识,从理论和实验上较为全面地分析了子束谱宽和发散、VBG色散和热效应等对组束输出光束质量带来的不利结果,为VBG在更高功率光谱组束系统的应用提供了指导。