为了获得利于相干合成的具有高相干性的单元光束,可利用光学锁相环(OPLL)来实现本振激光的相位锁定。推导了锁相后激光复振幅的互相关函数表达式,并以此评价锁相后光束间的相干性。具体计算了参考光线宽、时间常数和本振激光线宽差对互相关函数值的影响。定义与本振激光线宽差相关的评价参数M,以此表征当其他参数一定时本振激光线宽差对锁相后激光相干性的影响。进一步针对本振激光线宽不一致对锁相效果的影响进行详细分析,得到相关参数合理值范围的计算公式。结果表明对于不同的本振激光线宽差范围需要设计不同的OPLL系统时间常数来实现有效锁相。

基于光的干涉理论, 对多芯线阵光纤激光通过相干合成进行角度扫描的原理进行了研究。利用相干合成模型, 用MATLAB分别对信号无噪声与含有随机相位噪声时的合成效果进行了数值仿真计算, 分析了通过主动相位控制对合成光进行角度扫描的可行性; 基于MOPA 结构光纤激光线列搭建了相干合成角度扫描控制系统。通过实验验证了在多路光纤激光完成锁相后, 若依次等比改变各芯激光的相位可以实现主极大条纹连续的角度扫描, 扫描范围与模型中计算所得结果基本一致, 实验结果与理论计算相符。该方法的探索研究对线列光纤激光的相干合成应用拓展有一定的指导意义。

高能光纤激光器光束合成技术是近年来高能激光器尤其是定向能源应用中的研究热点, 可突破单根单模光纤激光的输出功率限制, 为高功率高光束质量的激光**应用奠定了理论基础。介绍了光纤激光非相干合成和相干合成的国内外研究现状, 给出了非相干合成技术中光束重叠和光谱合成的基本合成原理, 重点介绍了国内外多家研究机构光谱合成近年来所达到的技术水平; 介绍了国内外相干合成技术的最新研究进展, 对相干合成等效大口径激光阵列输出中几种不同的透射式相干合成阵列输出和反射式相干合成阵列输出的关键合成装置, 以及相干合成单一孔径输出中的核心光学元件进行详细分析。最后简要对比了高能光纤激光器光束相干合成技术和非相干合成技术的优缺点和应用范围。

光纤激光相干合成是突破单路光纤激光功率极限和实现更高输出功率的有效技术方案，是传统高功率激光系统走向激光相控阵高功率光纤激光系统的重要基础。介绍了高功率光纤激光相干合成的系统结构，并指出了主要研究对象和关键技术；介绍和分析了光纤激光相干合成的国内外相关研究现状和发展趋势；分析了光纤激光相干合成面临的主要技术挑战。

基于主动锁相相干偏振合成系统实现了四路500 W级全光纤窄线宽保偏放大器的共孔径合成输出。当相位控制系统处于闭环状态时,整个合成系统的输出功率达2164 W,合成效率为94.5%。实验中,随着功率的提升,合成效率未发生明显退化。这是目前相干偏振合成系统的最高输出功率。

提出了一种基于3-dB光纤耦合器的级联式激光相干合成新方法。理论分析了基于3-dB耦合器的两单元相干合成模块的工作原理, 仿真分析了光强失配及相位失配对相干合成效率的影响；搭建了基于随机并行梯度下降优化算法的相位控制平台, 实验验证了两单元模块的可行性。实验结果表明, 闭环后归一化合成光强的平均值从0.50提升至0.92, 均方误差从9.27%下降至0.062%, 而实现两单元模块输入端相位锁定和光强匹配是获取高效、高稳定相干合成效果的关键。最后, 基于两单元模块提出了可拓展的级联式激光相干合成结构, 并以八单元为例进行了相干合成的仿真。

提出了全光纤结构的光纤环被动锁相相干合成方案，在自制的光纤放大器基础上，实现了四路光纤激光的全光纤被动锁相相干合成。对合成的开环闭环功率、光谱、远场光斑图样、系统锁相带宽等特性进行了研究。系统开环时，输出功率在71~271 mW之间起伏，系统闭环后，输出功率稳定在412 mW左右，较开环平均功率提高了2.1倍，说明该方案能够实现有效的相位锁定。系统锁相带宽大于50 kHz，具有较好的稳定锁相能力。通过提高各路光纤放大器的功率和采用承受功率更高的合束器，有望获得更高功率的相干合成输出。

为了研究光束相干合成中偏振态的特性, 取理想矩形光束进行模拟分析。通过改变偏振态的退偏率、偏振态夹角、参与合成的子束数目等, 观察光场在远场叠加的合成效果。讨论了这些因素对远场合成效果的光强分布、峰值功率密度、光束质量β因子等的影响。模拟结果显示：当退偏率小于10%、偏振态夹角小于18°时, 合成后光束质量因子小于1.1。