夏克-哈特曼波前测量技术具有测量光路简单、光能利用率高、测量动态范围大、动态测量、对光源相干性不做要求等优点,已广泛应用于自适应光学、光学加工及装调检测、眼科医疗和激光参数诊断等领域。随着超精密光学元件加工制造的精度越来越高,以及高功率激光装置建设规模越来越大,都对波前测量精度提出了更高的要求。根据夏克-哈特曼波前测量原理可知,影响波前测量精度的因素主要包括波前斜率测量精度和波前重构算法精度。同时,夏克-哈特曼波前传感器的微透镜阵列与探测器之间的位置误差以及参数绝对定标精度也将影响到波前测量精度。目前夏克-哈特曼波前测量精度的空域评价手段无法与高精度光学元件表面不同频段加工精度及高功率激光装置不同频段波前畸变测量精度的评价直接建立关系,故如何全面客观的评价及提高夏克-哈特曼波前测量精度来满足当今对高精度波前测量的需求是目前亟需解决的科学问题。论文首先研究了夏克-哈特曼波前重构的频率响应特性,推导了基于传统区域法和模式法波前重构的系统频率响应函数理论模型。在此基础上,提出了频响特性优化的夏克-哈特曼波前重构方法,从而提高了全频段范围内的波前测量精度。同时,对夏克-哈特曼波前传感器的系统误差与标定方法进行了研究。最后,提出了基于频响特性优化波前传感器的激光远场焦斑重构方法。主要内容如下:1.理论分析了微透镜阵列的离散采样和波前重构模型对被测波前信息的滤波作用。在空间频率域分别对传统区域法和模式法的系统频率响应函数模型进行了推导。通过理论仿真对夏克-哈特曼波前重构系统频响特性理论模型进行了验证。结果表明传统波前重构方法的频响特性并不是单位均匀响应,即不同频段的波前信息在重构过程中进行了不同程度的失真,从而影响了波前测量精度。区域法相比模式法在中高频段具有更好的响应特性。2.建立了基于Simpson求积的波前重构频响特性理论模型,通过引入正则化项来消除奇异点,采用冲量梯度下降算法确定了最佳的正则化因子,从而得到了频响特性优化的波前重构模型。在此基础上,提出了基于正则化Simpson模型的频域带限波前重构算法。然后,对波前重构算法的误差特性进行了理论仿真及分析。最后,设计及搭建了基于纯相位液晶空间光调制器的实验验证装置,对论文所提波前重构方法与传统方法的频响特性测量结果进行了比对及分析,验证了所提方法的优越性。3.建立了由夏克-哈特曼波前传感器微透镜阵列与探测器之间的四种位置误差造成系统波前误差理论模型,进行了理论仿真及分析,在此基础上提出了减小系统误差的方法,并通过实验进行了验证。同时,对基于球面波的夏克-哈特曼波前传感器标定方法进行了研究,建立了标定模型和算法流程。设计及搭建了标定实验装置,利用其对研制的夏克-哈特曼波前传感器进行了标定。最后,对标定方法的不确定度进行了分析,结果表明了方法的可行性。4.将频响特性优化的夏克-哈特曼波前测量技术应用于激光远场焦斑诊断中,提出了基于频响特性优化波前传感器实现激光远场焦斑重构的方法。设计了激光远场焦斑重构算法,通过结合频响特性优化波前重构算法和三次B样条插值曲面算法,以解决传统方法远场焦斑重构精度低的问题。完成了激光远场焦斑重构算法的理论仿真及分析。设计并搭建了激光远场焦斑重构实验验证装置,对本文所提方法与传统方法的远场焦斑测量结果进行了比对,验证了本论文所提方法的优越性。