超短超强激光是激光技术和光学工程领域重要的学科方向,它的基础是飞秒超快技术和啁啾脉冲放大（CPA）技术。超短超强激光可以在实验室内创造出超高能量密度、超强电磁场和超快时间尺度的综合性极端物理条件,开创了激光聚变、等离子体粒子加速、激光核物理、实验室天体物理等前沿科学方向。持续提升激光脉冲峰值功率并降低其“时域”噪声,即同时实现“激光更强、噪声更弱”,是开拓超短超强激光重大科学应用所期盼的关键激光性能。过去30年,强激光系统发展的重点是“让激光更强”。迄今为止有两种版本的强激光系统:基于能级型激光增益介质的CPA系统和基于非线性光学晶体的光参量啁啾脉冲放大（OPCPA）系统。这两类系统均已实现拍瓦（10¹55 W）水平的超高峰值功率输出,激光聚焦光强达到10²¹W/cm²。但在强场物理实验中,不仅期望激光脉冲具有足够高的峰值光强,同时要求脉冲前沿足够干净,即前沿噪声光场的强度必须小于靶的电离阈值（¹0¹11 W/cm²）。为此引入脉冲信噪比这一重要的指标来表征超短超强激光脉冲的品质,它的定义是主脉冲的峰值强度与脉冲前沿噪声光场强度的比值。对于拍瓦级超强激光脉冲,通常要求脉冲信噪比高于10¹⁰,而目前的强激光系统输出脉冲信噪比的典型值为10⁸-10⁹。超高信噪比的挑战是超短超强激光领域至今尚未解决的重大科学技术问题。“让噪声更弱”是强激光系统发展的必然趋势。超短超强激光系统的一个重要特征是放大器采用啁啾脉冲注入,激光的频率与时间直接关联,这使得系统的时域噪声相比传统的激光放大器更为复杂。另一方面,目前的超短超强激光系统对信噪比的控制只局限于对种子脉冲做净化处理,对放大器噪声尚无有效的控制方法,这是超短超强激光难以实现超高信噪比的关键技术瓶颈。为此,迫切需要开展针对啁啾脉冲放大器的噪声机理和及降噪技术研究。本论文以超短超强激光脉冲信噪比提升总体为目标,选择放大过程更为复杂的OPCPA系统作为具体研究对象（研究结果对于传统能级型CPA同样具有借鉴意义）,对OPCPA放大器噪声开展系统研究,在此基础上提出并论证了适用于OPCPA/CPA放大器的主动降噪技术。论文的主要研究工作和创新成绩总结如下:1、研究发现了OPCPA放大器中两类新的噪声产生机理,即“后沿次脉冲向前沿转移”和“光散射起源的参量噪声”,全面研究了两类噪声的产生、增长规律及其对系统输出脉冲信噪比的影响。后沿次脉冲向前沿转移指的是由光学元件表面反射引入的后沿次脉冲,经过OPCPA放大器,将在主脉冲的前沿衍生出若干噪声脉冲,导致脉冲前沿信噪比迅速退化。这一前沿噪声衍生过程的物理基础是光参量放大过程固有的非线性。光散射起源的参量噪声指的是信号激光的光散射背景（来源于瑞利散射等）在OPCPA放大器中能够自发地满足位相匹配条件,形成一种新形式的光参量噪声,其强度通常显著强于量子噪声起源的参量荧光,是限制OPCPA能量转换效率的重要因素。2、引入功率谱密度分析的方法研究了OPCPA放大过程中噪声的整体演变规律,揭示了OPCPA放大器中不同种类、不同调制频率的噪声之间会发生非线性相互作用,深入研究了噪声非线性相互作用的强度对放大器工作参数的依赖关系,及其对输出脉冲信噪比的影响。为了准确、系统地描述啁啾脉冲放大器（包括OPCPA、CPA系统）噪声,引入功率谱密度的分析方法,建立了系统输出脉冲信噪比与放大过程中信号光调制增长的定量对应关系。在此基础上,研究发现了OPCPA放大器中不同种类、不同调制频率的噪声之间将发生非线性相互作用,由此衍生出若干新的噪声成分（对应着不同调制频率成分的和频、差频）,导致输出脉冲的时域噪声发生非线性展宽。3、提出了对啁啾脉冲放大器进行主动降噪的新技术——时空啁啾耦合滤波技术（美国专利授权）,通过理论推导、数值模拟和实验研究验证了技术可行性,将脉冲信噪比提升技术从过去只能净化种子脉冲推进到对放大器降噪处理的新阶段。在目前的啁啾脉冲放大技术方案中,信号脉冲只具有时域啁啾,而在本论文提出的时空啁啾耦合滤波技术中,额外地引入空间啁啾“修饰”信号脉冲,使得信号与噪声在放大、压缩过程中遵循不同的时空演变特性,最终在压缩器输出端发生时空分离,因此能够通过空间光阑简单、高效地滤除放大器的时域噪声。通过数值模拟验证了该技术对OPCPA放大器中的参量荧光、泵浦噪声转移、后沿脉冲向前沿转移等噪声都具有显著的滤除效果;此外,滤波光阑对激光主脉冲的透过率接近100%,这是之前所有脉冲信噪比提升技术都无法做到的高效率。基于小口径OPCPA系统开展实验研究,演示了时空啁啾脉冲的产生、放大、压缩性能,验证了该技术可将OPCPA放大器噪声降低1-2个数量级,将输出脉冲信噪比提升至10¹⁰水平。