激光相干合成技术是目前最常用的实现高功率激光输出的方式, 各路光束间的相位不一致是影响相干合成效果的重要因素。研究了用于控制相位的SPGD算法, 探讨了SPGD算法的参数优化方法, 提出了一种自适应增益策略, 并通过仿真分析了固定增益和自适应增益算法的收敛速度、收敛精度。仿真结果表明, 通过算法参数的优化选取和自适应增益方法, 能够将算法的收敛速度提高12.7%, 收敛精度提高0.23%, 得到了较好的收敛效果。

提出了基于2种新型子孔径形状的填充方案,相较于传统圆形子孔径正六边形排列填充方案,所提方案能获得更高的面积填充占比。通过评估相干合成的远场光束质量,权衡光束截断导致的能量损耗与占空比改善带来的光束质量提升,计算得到最优解。仿真结果表明,相比于圆形子孔径正六边形排列填充方案,所提2种方案能将远场桶中功率占比分别提升9.2%和13.9%。所提孔径填充优化方案对提高光纤激光阵列分孔径相干合成效率具有一定的指导意义。

提出了一种基于光纤耦合的光纤激光阵列像差探测方法，介绍了其结构和波前复原过程，采用数值仿真模拟其复原湍流像差的过程，并进行了7单元自适应光纤准直器(AFOC)阵列复原静态像差的实验。仿真结果表明，本文提出的波前传感方法能够有效复原出湍流畸变波前，且对于不同单元数的六边形排布阵列，存在不同的最优复原阶数。阵列填充因子的降低会增大复原残差，填充因子大于0.8可保证复原残差RMS相较于填充因子为1时的增幅不超过10%。实验结果表明，利用填充因子为0.875 的7 单元AFOC 阵列，复原以离焦为主的低阶像差时，初始畸变波前RMS 为0.433 μm，复原残差小于0.075 μm。仿真和实验结果验证了本文提出的基于光纤耦合的光纤激光阵列像差探测方法的有效性。该技术有望在激光阵列大气传输及湍流校正等系统中得到进一步应用。

保持良好光束质量的输出对实际光谱合成系统的构建至关重要。从理论上研究光纤激光阵列指向偏差对合成系统光束特性的影响, 修正了带有指向偏转角激光队列的入射光场, 结合光谱合成的光传输模型和统计学分析, 讨论了合成激光光束质量随均匀分布随机扰动的变化规律。仿真结果表明, 指向偏差对合成系统的输出特性影响显著, 当激光队列的最大偏转角仅为0.05°时, 合成系统的光束质量就会退化到(6.49±1.73)。为实现合成光束亮度的定标放大, 逐步扩展激光队列的阵列规模, 合成系统光束质量的变化会逐渐趋于稳定, 以变化稳定时的阵列规模(30路子光束)作为参考, 拟合M2因子随最大指向偏转角的变化趋势。

研究了光纤激光阵列目标在回路自适应光学系统在实际大气环境中的传输。从光纤激光阵列、激光在大气中的传输、目标和优化算法四个方面，建立了光纤激光阵列目标在回路自适应光学系统的理论模型。在不同强度大气湍流下，对系统补偿大气湍流影响的效果进行了研究，并对系统控制参数优化进行了简单探讨。结果表明，目标在回路闭环控制结构能够有效补偿大气湍流引起的能量扩散，使目标靶面能量集中度提高，在强湍流情况下，可使目标光斑的平均半径收敛9%；该结构的传输性能受大气湍流强度的影响，大气湍流强度增强，系统的控制效果减弱；控制算法收敛速率受参数设置的影响，实际应用中需进行优化；探测器的信噪比(SNR)对于系统的闭环控制性能也有一定影响。

光纤激光相干合成能够获得高功率、高光束质量的光束输出。目前国内对于相干合成技术的研究集中于各路激光的相位控制,即光束如何“相干”。而相干光束的“合成”,即如何提高相干激光阵列的填充因子,作为影响相干合成光束质量的一个重要因素,则较少受到关注。为了保证相干合成激光的光束质量,需辅以相应的孔径填充技术尽可能增大激光阵列的填充因子。跟踪国外近年来发展的孔径填充技术,如幅相转换、自成像波导、光束整形、衍射光学法、光束截断法等,并对每一种技术加以分析和评判。结果表明,光束截断法不需要复杂的光学设计,实施起来最为简单有效,有可能最终用于多路大功率光纤激光的合成。

设计了由两支光纤激光器通过耦合器组成的迈克尔逊腔型光纤激光器阵列，实现了相干合成输出，相干合成功率与完全相干合成的理论值偏差约9％。研究了子激光器功率差对低损耗端口相干合成特性的影响。结果表明：当子光纤激光器功率差减小时，耦合效率增大，理论与实验偏差减小，泵浦效率增大，输出功率增大，光谱中心波长基本不变；子激光器功率越大，子激光器功率差对以上物理量的影响越小。

针对外腔谱组束和主振荡功率放大(MOPA)组束方案中存在的问题，基于体光栅极窄的波长选择性和角度选择性，提出了两种多阵元光纤激光组束方案。为克服外腔谱组束中阵元数目受衍射元件有限频谱范围的限制，提出了一种基于级联体光栅的谱组束方案，该方案可使组束阵元数目随光栅数目倍增；提出了一种基于重叠体光栅的MOPA组束方案，该方案通过重叠体光栅的双向复用提供光学反馈，使系统无需复杂的相位检测与控制就可实现各阵元光束的相位锁定。