超强超短激光技术的发展为人类在实验室尺度内创造出前所未有的极端物理条件，对基础学科、前沿交叉学科和光与物质的相互作用等高科技领域的发展，起到了极大的推动作用。随着脉冲啁啾放大技术和光学参量啁啾放大技术的发展，超强超短激光系统所能提供的峰值功率越来越高，聚焦功率密度也越来越强。目前，国际上多个国家地区，如欧盟、法国、英国等已投入巨资竞相开展10拍瓦级超强超短激光系统的研制。建设10拍瓦级超强超短激光系统中的一项难点就是对超强超强激光系统的总体色散进行精密的控制，尽可能地消除高阶色散，从而输出接近于傅里叶变换极限的压缩脉冲，在同样的能量水平下获得更高的脉冲峰值功率。　　本论文主要是在参与的国家重大科技基础设施项目“上海超强超短激光实验装置”(SULF)，发展其中的10拍瓦级钛宝石超强超短激光系统的基础上完成的。基于10拍瓦级钛宝石超强超短激光系统，对激光系统色散产生机制、常用色散元件以及相应的色散精密控制技术等进行了深入研究。本论文主要取得了以下创新成果和研究进展:　　1.我们提出了用于光栅对调节的宽带光光谱图像法调节技术，依靠角锥、孔径光阑、针孔、光纤光谱仪和可调平面镜对实现光栅对的可视化调节，解决了将压缩器光栅精确地旋转至工作角度的技术难题。对空间啁啾进行了解析描述，揭示了空间啁啾会导致压缩脉宽的增加和焦斑直径的增大，从而降低了聚焦强度。基于现有的激光器参数，理论分析了激光系统剩余各阶色散量对压缩脉冲的影响，并且得到压缩器的最佳工作角度为52.87度。在空气压缩器中应用该调节技术，优化光栅对间距得到了比主光路更短的压缩脉冲和更为平坦的脉冲相位，在实验上证实了宽带光光谱图像法的有效性。建立了光线追迹数值模型，计算得到该调节方法的旋转角度精度、俯仰调节精度和面内旋转精度分别为±4.81μrad、±7.92μrad和±6μrad。该技术还可用于水平转台绝对角度和相对角度测量校正。　　2.结合展宽器和光栅对压缩器，发展了激光系统中基于棱栅对(Grism pair)的色散精密控制技术。根据棱栅对三阶、二阶色散比值，设计了Grism pair的参数，并提出了Grism pair的远场调节方法。对SULF中10拍瓦钛宝石超强超短激光系统前端的材料色散进行了精密统计，给出了(O)ffner展宽器的参数设计和光学元件尺寸设计，并在理论和实验上研究了Offner展宽器的输出光斑特性。同时研究了柱面Offner展宽器的输出光斑特性。开展对比实验证明了Grism pair的色散精密控制与补偿能力，实验测得压缩脉冲的相位畸变小于2.25rad，宽度仅为傅里叶变换极限脉冲的1.04倍，100发次的压缩脉宽平均值为22.38fs。同时发展了对向压缩器这种压缩器新构型，并在实验上证明了新构型的可行性。　　3.首次将棱栅对用于10拍瓦级钛宝石超强超短激光系统的色散精密控制。改进了棱栅对的优化方法，通过改变棱栅对的间距，配合调节压缩器的入射角度和斜距离实现高阶色散的控制。评估了放大过程中的非线性效应对脉冲光谱脉宽的影响。在激光系统放大能量为202.8焦耳时，压缩脉冲宽度为24fs，获得了5.4拍瓦的激光输出，同时研究了大口径光斑的脉宽分布和时间稳定性。在增加一级钛宝石放大器获得339焦耳能量放大的情况下，获得了21飞秒的压缩脉冲，是目前同类型激光装置中最好的脉宽结果，能够支持10拍瓦级超强超短脉冲的放大输出，在工程上验证了色散控制技术的有效性。　　4.此外，本论文还深入研究了引入色散的三种机制:折射、衍射和干涉;比较了平行光栅对、棱镜对和展宽器等几何色散元件的结构和特点;全面掌握和消化了Matinez展宽器和Offner展宽器的结构、光路和特点;研究了大口径压缩脉冲脉宽的测量技术等。