为实现亮度均匀、形状对称、高对称光束质量的高功率半导体激光输出, 提出了一种基于mini-bar芯片的高功率光纤耦合系统设计方案, 使用Zemax设计了一套针对200 μm/NA0.22多模光纤的500 W级光纤耦合输出系统。设计使用反射镜-条纹镜系统实现单列叠层微通道封装芯片快轴方向光束的尺寸压缩, 并结合偏振合束技术在不改变光束束参积的条件下将功率提高一倍, 并使用慢轴扩束系统压缩慢轴方向发散角, 最后采用非球面透镜耦合进目标光纤。在设计的基础上采用4列叠层微通道封装的叠阵(每列包含5个mini-bar芯片)进行了等效验证实验, 在注入电流为37 A时得到稳定输出功率506 Ｗ的小型化模块, 亮度达10.3 MW/(cm2·sr), 电光效率为43.0%。设计和实验共同表明, 该光纤耦合模块可实现500 W稳定功率输出, 可广泛应用在光纤/固体激光泵浦及工业加工等领域。

半导体激光器光纤耦合输出系统常被用作光纤激光器的抽运源，是光纤激光器的核心器件之一。针对芯径105 μm、NA0.15的多模光纤，使用Zemax软件设计了一种基于双管的高亮度半导体激光器光纤耦合输出系统。该系统采用高精密准直技术、台阶加反射镜空间合束、偏振合束和慢轴扩束技术完成光束整形，最后使用非球面透镜聚焦耦合进芯径105 μm、NA0.15的目标光纤。结合设计，在现有实验条件的基础上进行了等效验证实验。模拟和实验均表明：该系统可将16支双管耦合进芯径105 μm、NA0.15的光纤，在注入电流为15 A时，可获得稳定输出功率154 W，亮度达25 MW/（cm2·sr）， 对应电光效率为42%。该模块工程化后可广泛应用在光纤激光器抽运及工业加工等领域。

二维轴向光束质量的不均衡是二极管激光线阵应用的最大瓶颈，但利用光束整形技术可加以改善。基于平行玻璃板对光束的偏移作用，设计一种以线阵中独立发光单元作为整形对象的平行玻璃板阵列光束整形方法，可减小整形中慢轴光束能量损失，实现二维轴向光束质量的高效率调整。针对12个发光单元的短二极管激光线阵开展验证实验，结果表明，整形效果符合模拟结果，整形效率达93.62%。

半导体激光器光栅-外腔光谱合束是一种实现高亮度半导体激光(DL)输出的有效方法。本文采用mini-bar叠阵作为合束光源，有效减小了“smile”效应对合束效率的影响，匀化了合束后的快慢轴光束质量，便于进一步的光纤耦合输出。采用柱面镜作为外腔镜，有效抑制了合束中的互锁定现象，从而取代了传统的空间滤波，减小了系统规模。在工作电流为75A 时得到了159W 的高亮度DL 输出，合束光谱宽度为11.97 nm，电光效率为47.35%。当工作电流为60A 时，合束光的快慢轴光束质量分别为3.145 mm·mrad与3.554 mm·mrad。

反射式体布拉格光栅(VBG)是改善半导体激光器(DL)输出光谱特性的首选器件。对快轴准直透镜(FAC)的非球面方程进行了数值拟合,采用光线追迹的方法建立了DL波长稳定系统反馈效率的计算模型,分析了FAC透镜、反射式VBG的空间位置和旋转角度变化对DL波长稳定系统反馈效率的影响,给出了波长稳定系统中FAC和反射式VBG的装调容差范围。分析结果表明: 反射式VBG的空间位置偏差对反馈效率影响不大,但FAC透镜的空间位置和旋转角度偏差、反射式VBG的旋转角度偏差会造成反馈效率的急剧下降。

光栅-外腔光谱合束是基于光栅的波长选择特性和外腔的反馈，使得半导体激光阵列(DLA)中的每个发光单元锁定在不同的波长，并保持每个发光单元输出光束在近场和远场重合，实现光谱合束后输出光束质量与单个发光单元的光束质量保持一致，极大地改善了输出光束的光束质量。实验采用发光单元宽度为100 μm 、周期为500 μm ，由19 个发光单元组成的常规CM-Bar 条进行光栅-外腔光谱合束技术实验，在连续运行最大注入电流为70 A，获得了44.9 W 的连续激光输出，快慢轴的光束质量分别为1.52 mm·mrad和5 mm·mrad，合束后的电光转换效率为36%，输出光斑亮度约为36.92 MW/cm2-str，光谱展宽为3.24 nm，合成输出激光可以被耦合进入50 μm 芯径、数值孔径(NA) 0.22的光纤中，作为高亮度激光抽运源或直接半导体激光光源使用。

光纤激光器系统需要高可靠性、高亮度、高功率光纤耦合输出二极管激光器模块作为泵浦源。基于mini-bar二极管激光器芯片，采用光束精密准直技术、自由空间合束技术来获得高亮度、高功率光纤耦合输出，针对光纤芯径为200 μm、数值孔径为 0.22的多模光纤，开展了线偏振二极管激光光纤耦合实验，实验结果表明：光纤稳定输出功率达280 W，对应亮度为5.87 MW/(cm2·sr)，电-光效率为45.0%。采用偏振合束技术，光纤预期输出功率可达500 W，对应亮度超过10 MW/(cm2·sr)。该方法可应用于研制数百瓦级高亮度二极管激光光纤耦合输出激光器模块。

基于反射式布拉格(Bragg)体光栅(VBG)的密集光谱合束是实现半导体激光器光纤耦合向高亮度发展的重要手段，建立了同时考虑发散角、光谱带宽、Bragg波长偏移量和Bragg角度偏移量的反射式VBG衍射效率计算模型。基于新建立的计算模型，提出了半导体激光器(DL)光纤耦合模块双波长合束的反射式VBG参数优化方法。结果表明：在优化选择的VBG参数下，DL光纤耦合模块双波长合束在满足入射光束(衍射效率大于90%的发散角14 mrad，半峰全宽为0.3 nm)中心波长偏移小于±0.49 nm，入射角度相对于Bragg角偏移小于±16 mrad的条件下，可达到大于98.7%的合束效率。

为进一步提高光纤耦合半导体激光器的输出功率,提出了一种多单管半导体激光器通过台阶分布、光束精密准直及自由空间合束实现高功率光纤耦合输出的方法,该方法具有结构简单、光学元件易于加工、耦合效率高等优点。采用这种方法对5只封装在次热沉上的单管半导体激光器开展了芯径100 μm、数值孔径0.22多模光纤的耦合实验研究,当工作电流为7.0 A时,光纤连续输出功率为21.8 W,亮度为1.83 MW/(cm2·sr) ,耦合效率为70.32%。