再生放大器具有高增益、高光束质量、小型化的优势,一直以来都是实现脉冲激光高效放大的重要手段。更大的脉冲能量、更宽的增益带宽和更高的均值功率是再生放大器研究的主要努力方向。实现大能量的脉冲输出需要增益材料具有较高的发射截面和较长的荧光寿命,而更宽的增益带宽就需要增益材料具有更宽的增益光谱,更高的均值功率意味着更好的热性能。受限于激光增益介质的材料特性和上述参数间的相互制约关系等,再生放大器的输出能力受到了较大的限制。具备宽光谱增益和高均值功率输出的再生放大器技术是目前该领域最具潜在应用价值和最具挑战性的研究方向之一。本文提出了多激光头和多种增益介质混用的再生放大方案,用于实现宽光谱增益;在此基础上,在再生腔中引入4f系统以解决多激光头导致的再生腔的热稳定性复杂化问题;进一步,对非理想4f系统导致的像散问题进行了分析,并给出了对应的解决方案。本文主要工作及创新点如下:一、提出了基于Yb:Lu2O3和Yb:Sc2O3的双激光头再生放大方案,用于获得大于20nm的增益带宽。基于受激辐射的基本原理,对激光增益材料的增益、光谱和储能相关的参数进行分析。针对上述三项参数存在相互制约的问题,介绍了目前突破这一理论限制的方法,包括光谱补偿或者同时使用多种增益材料来拓展输出激光的光谱的方法。在此基础上,针对单脉冲能量100mJ,均值功率200W,增益带宽大于20nm的需求目标,提出了基于Yb:Lu2O3和Yb:Sc2O3的多激光头再生放大方案,并给出了初步的设计方案。二、提出了通过在再生腔中引入4f系统用以简化多激光头导致的热复杂化问题的方法,并完成了一种热稳环形腔的设计。针对高均值功率运行条件下,上述方案中多块增益介质同时工作导致的再生放大器的热透镜复杂化问题,提出了在再生腔中引入4f系统的方式,用以简化再生放大器中的热透镜问题,并通过ABCD矩阵法理论证明了这一方法的可行性。在此基础上,基于三层结构的薄片放大器,利用有限元法,分别计算了特定泵浦和散热条件下的温度分布以及形变分布,进而计算出了薄片激光头的热透镜具体值。利用透镜等效的方法,提出了简易的环形热稳腔的设计方法。基于热透镜的计算结果,给出了满足热稳定性条件的环形再生腔设计,使得光束尺寸波动量达到最小。三、分析了上述方案中可能存在的像散问题,并给出了解决方案。针对上述再生腔设计中可能存在的像散问题,通过理论计算,分析了斜入射导致的像散对腔内光束质量的影响,像散会使得腔内光束近场轮廓变为椭圆,而且光束尺寸的波动量会增加。针对这一问题,本文提出了像散的补偿方案。在腔内激光头附近加入额外的凸面反射镜可以提供符号相反的像散,通过控制各元器件的入射角,可以有效地实现像散的补偿。理论计算表明通过上述像散补偿方案,能够基本消除像散导致的光束变形,以及光束尺寸波动量增加的问题。