为了减小微透镜阵列误差对匀化光斑的影响，深入研究微透镜阵列光束匀化系统中微透镜阵列相对位置误差对光束匀化性能的影响，设计了一种微透镜阵列光束匀化系统。依据相对位置误差类型的不同，将双列微透镜阵列间六个自由度变化导致的误差分为距离误差、偏移误差以及转动误差进行分析，并对每种误差对光束匀化性能的影响进行了研究。采用6板条半导体激光器堆栈对上述匀化系统进行实验验证，实现了均匀性为90.75%的光斑，并对系统影响光斑性能的原因进行了分析。beam homogenization

半导体激光器由于自身波导结构的不对称性导致光强分布不均匀而限制了其在工业加工上的应用，为了对半导体激光光束进行整形以获得均匀光斑，设计了一种基于微透镜阵列的半导体激光器堆栈匀化系统。分析了微透镜阵列对半导体激光匀化的原理，通过微透镜边缘衍射对匀化光斑的影响确定了微透镜孔径范围。采用6bar条半导体激光器堆栈对微透镜阵列光束匀化系统进行了仿真和实验验证，实现了均匀性为92.59%的光斑，能量传输效率为91.19%。该匀化系统在半导体激光焊接、熔覆以及硬化等表面处理中具有很强的实用性。

为了实现半导体激光器的光束准直, 分析了半导体激光器光束沿快、慢轴方向的准直原理。采用单个半导体激光器作为被准直单元, 提出了基于像散曲面微透镜的半导体激光器光束准直方法。讨论了半导体激光器填充因子对像散曲面微透镜准直性能的影响。对填充因子0.5的半导体激光器进行模拟验证。准直后, 快轴方向剩余发散角约为0.34°, 慢轴方向剩余发散角约为2.69°。结果表明, 像散曲面微透镜不但可以对高填充因子的半导体激光器光束进行准直, 而且准直后出射光斑面积小。该研究为高功率半导体激光器堆栈光束的准直提供了可行性方案。

为了实现基于微透镜阵列的高功率半导体激光器堆栈光束整形，对带有快轴准直透镜的高填充因子半导体激光器堆栈慢轴光束准直技术进行了研究。对于发光单元尺寸100 μm、周期200 μm的半导体激光器，分析了填充因子对慢轴光束准直的影响，发现采用微柱透镜与慢轴方向各个发光单元一一对应的方式难以取得较好的准直效果，且会导致其快轴方向没有足够的准直空间。为了去除填充因子的限制，将实际使用的填充因子为0.5 的高功率半导体激光器堆栈以bar 条为单元进行慢轴方向光束准直设计，利用Zemax 光学设计软件进行了模拟仿真，并采用基于空间扫描法的发散角测试装置对慢轴准直后剩余发散角进行测试，实现准直后剩余发散角半角2.12°，实验表明这种准直方法非常有效。该方法简单易行，对于高填充因子半导体激光器慢轴光束准直有较好的借鉴意义。

为实现基于微透镜阵列的高功率半导体激光器堆栈光束整形, 对带有快轴准直透镜的高功率半导体激光器堆栈慢轴光束准直技术进行研究。在慢轴光束准直理论分析基础上, 着重研究了慢轴填充因子对其光束准直的影响, 并对不同填充因子的半导体激光器慢轴光束准直方案进行了分析。针对实际使用的填充因子0.5的高功率半导体激光器堆栈采用以Bar条为单元进行整体准直设计, 并采用基于空间扫描法的发散角测试装置对慢轴准直后剩余发散角进行测试, 实现准直后剩余发散角半角2.12°, 实验表明该准直方法的有效性。

半导体激光器由于自身波导结构的不对称性导致光强分布不均匀而限制了其应用，为了对半导体激光光束进行整形以获得均匀光斑，设计了一种基于微透镜阵列的半导体激光器堆栈匀化系统。分析了微透镜阵列对半导体激光的匀化原理和光束匀化过程，通过分析微透镜边缘衍射对匀化光斑影响确定了微透镜孔径范围，采用近轴矩阵光学推导了目标光斑发散角。结合实例对微透镜阵列光束匀化系统进行了仿真和实验验证，实现了均匀性为91.89%的均匀光斑。

高功率固体激光器对入射的泵浦光具有严格的均匀性和工作深度要求。本文通过将微透镜阵列与长焦深菲涅尔透镜结合, 对半导体激光器阵列光束进行整形, 获得在长工作深度范围内的均匀光斑。本文针对 dilas E15Y-808.3-1260C半导体激光器阵列设计了目标光斑大小为 4 mm×4 mm的三维激光整形系统。仿真结果表明, 该光束整形系统与传统的多通道光束积分整形系统相比, 在光斑尺寸与均匀性保持不变的情况下, 工作深度增加了 2倍。

为实现高功率激光二极管堆栈光束的匀化与整形，提出基于双柱透镜慢轴准直的匀化系统。利用双柱透镜实现对高填充因子激光二极管慢轴方向光束发散角度的压缩，降低成像型多孔径光束积分器中微透镜的数值孔径，减小匀化系统体积。通过三个限定条件确定了双柱透镜参数取值范围，并通过像差分析对双柱透镜进行了优化，实现慢轴方向光束剩余发散角度1.74°。结合成像型多孔径光束积分器，设计了激光二极管堆栈的匀化系统，并进行了实验测试。实验结果表明，在中心光斑尺寸约为6 mm×6 mm范围内，光斑不均匀性为8.11%。

为了实现高均匀性的半导体激光器泵浦光源，研究了成像型光束积分器中微透镜的变化对泵浦光均匀性的影响。详细讨论了微透镜数值孔径与入射光束的角度匹配的问题。推导了高斯光束经成像型光束积分器的光场分布模型，分析了微透镜的边缘衍射对光斑均匀性的影响，明确了微透镜孔径大小的取值范围，并利用ZEMAX进行了系统仿真及实验验证。结果表明，经优化后的成像型光束积分器实现了不均匀性为811%的矩形光斑。