为了研究光纤激光的非相干合成特性, 建立了圆环状排布的光纤激光阵列光束合成模型, 模拟分析了单元光束束腰半径w0、波前畸变和光束间距对非相干及相干合成远场光束质量的影响。讨论了多路激光平行性对非相干合成效果的影响, 并进行了相关实验验证。结果表明,单元光束无波前畸变时, 当光束间距为d0=2.8w0时, 非相干与相干合成光束质量相等; 单元光束存在波前畸变时, 光束间距有所减小, 这是因为波前畸变对非相干合成影响更小; 对于非相干合成, 随着多路激光之间不平行度的增大, 非相干合成光束质量逐渐变差, 并且单元光束质量越好, 对多路激光平行性要求越高。该研究可为实际光纤激光合成系统设计分析提供参考。

根据夫琅和费衍射理论，建立了四路激光相干合成模型，研究了不同占空比条件下倾斜相差对激光相干合成效果的影响。通过欧拉旋转变换，将各子光束的倾斜角度转换成相应的倾斜相差引入到光束合成模型中。仿真计算了不同占空比、不同倾斜角度情况下合成光束在远场的光强分布，分析了占空比、倾斜角度对远场光强分布的影响。仿真结果表明，随着子光束倾斜角度的增大，远场艾里斑内的光强逐渐减小，合成效果变差。仿真计算了不同占空比条件下桶中功率(PIB)和β因子随倾斜角度的变化关系。仿真结果表明，随着子光束倾斜角度的增大，PIB和β因子两个评价指标均逐渐变差。为了达到一定的评价指标要求，必须利用快反镜等校正器件将各子光束的倾斜角度减小到一定的范围之内。

根据相干合成的原理，建立了三路矩形光束相干合成的数学仿真模型,根据数学模型编写了仿真程序；模拟计算了1～21阶泽尼克像差下，单路矩形光束和三路矩形拼接光束的波像差与光束质量β因子关系的拟合系数；建立了波像差与β因子关系的计算表达式。分析了影响拟合系数的因素，结果表明：拟合系数总体上随着泽尼克像差系数增大而增加。比较了单路矩形光束与三路矩形拼接光束拟合系数的相似点和不同点，并分析了造成拟合系数不同的原因。

结合高能激光束硬边光阑发射时远场的分布特性，对探测器动态范围在光束质量β因子测量中的影响进行了理论分析。对近衍射极限光束质量测量不同动态范围探测器的影响进行了数值计算，根据计算测试误差给出了探测器动态范围的最低推荐值。实验验证模拟结果的正确性。

综述了现有的3类激光光束质量评价方法, 即近场质量、远场质量和传输质量。主要的评价参数包括近场调制度和对比度、聚焦光斑尺寸、远场发散角、衍射极限倍数β因子、斯特列尔比、环围能量比以及M2因子等。讨论了它们各自的适用范围、优点和局限性。提出了采用M2因子矩阵以表述光束的像散特性, 给出了M2因子的不变量。

分析了理想无波像差条件下和有随机波像差条件下光束漂移误差与长曝光光斑光束质量β因子的关系,得出光束漂移误差与长曝光光斑的光束质量β因子的关系。理论分析和数值仿真结果显示,光束漂移误差对长曝光光斑的光束质量β因子的影响与无光束漂移误差时系统初始光束质量无关,而与光束质量β因子的评价标准和光学系统中心遮拦比有关。分析了实际应用场景下对光束漂移误差的要求,指出对长曝光光斑光束质量的要求越高,允许的光束漂移误差越小。

光束质量一直是表征激光束输出质量的重要参量,测量方法有很多种。目前对于较强的带遮拦光束采用光束质量远场测试法。在光束传输效率领域内的应用中,使用光束质量β因子来评判光束质量性能参量,并通过CCD远场测试法测量得到。为了提高CCD远场法光束质量β因子测量系统的测试精度,分析了系统中光学部件和数据采集、处理部件的关键参量,针对不同的参量采用不同的标定方法分别对其进行标校。说明了实际使用的标校方法、分析测试系统的测量不确定度来源,定量确定了测量不确定度的大小。标定技术的研究从理论上促进了测量方法的进步,标校方法的应用有利于实际测试工作中测试结果准确度、可信度的提高。

分析了光学系统的波像差与对应的光束质量β因子间的关系,推导了光束质量β因子的近似计算公式。用数值计算方法建立了各种泽尼克多项式的波像差均方根值(RMS)与β因子间的拟合关系式。在此基础上,分析了科尔莫哥诺夫大气湍流引起的波像差与对应光束质量β因子间的关系。数值计算结果验证了推导的近似计算公式在相当大的像差范围内是准确的。

探讨了一种评价高能非稳腔激光器光束质量的方法,对其定义、测量及物理意义作了说明和解释。