为了提高半导体激光器作为光纤激光器、固体激光器泵浦源的亮度，基于光束准直、空间光束合成、偏振光合成、光纤耦合等技术，提出了一种紧凑的光束整形系统来均衡半导体激光器快慢轴的光束质量，采用类似阶梯型棱镜和两个30°的直角棱镜填充快轴方向暗区，并用偏振合束器对慢轴光束宽度进行压缩的光束整形方案，设计出了一种紧凑的高亮度光纤耦合系统。该系统由8个mini-bar组成的半导体激光器叠阵耦合进芯径为100 μm、数值孔径为0.22的光纤中，其输出功率为272.4 W，光光转换效率为85.1%，亮度高达22.832 MW/（cm²·sr）。

合束是实现量子级联激光器高功率输出的关键技术，基于激光的偏振特性，研究了偏振合束的实验原理及实验方法。使用线栅偏振片和中波半波片组成偏振合束装置，对两路4.05 μm量子级联激光器进行偏振合束，测试了中波半波片对4.05 μm激光的透过率以及中波线栅偏振片对4.05 μm激光透射率和反射率与入射角的关系，通过实验研究，当透射路光束和反射路光束与线栅偏振片的夹角为30°时，透射路的透射率为81%，反射路反射率为91%，其光束合束效率达到约86%，并使用光束质量分析仪对合束之后的光束质量进行测试分析。结果表明：两路光束通过该合束装置合束之后，在保证合束效率的条件下，具有较好的光束质量。

针对高功率脉冲半导体激光器的远场特点, 及激光制导对激光功率密度和光斑均匀性的要求, 给出多孔径空间耦合方案并对其优点进行理论分析; 针对纳米叠层芯片高功率半导体激光器偏振特性, 基于偏振复用的原理, 进行2支高功率半导体阵列激光器的偏振合束研究。通过试验得出结论: 偏振耦合后系统输出光功率几乎2倍于单个激光器输出功率, 采用多孔径耦合及偏振耦合均能满足遥控制导光斑要求。

针对半导体激光器在工业领域的应用和光纤耦合可以实现柔性传输的特点, 设计了光纤耦合半导体激光模块。采用光束整形技术、空间合束、偏振合束和光纤耦合等技术, 将两组共10个整形后的半导体标准阵列进行合束, 扩束后耦合入芯径400 μm、数值孔径0.22的镀增透膜光纤。在工作电流70 A时, 光纤耦合前功率为545 W, 光纤耦合后功率为518 W, 光纤耦合效率高于95%, 得到很高的光纤耦合效率, 电光转换效率为43%, 为下一步千瓦级光纤耦合半导体激光器的制备奠定了基础。

与半导体激光Bar条相比, 单管半导体激光器具有光束质量好, 寿命长等优点, 但由于其输出功率小, 故在激光加工等领域的应用受到限制。为提高单管半导体激光器的输出功率, 提出了基于偏振复用技术对多个单管半导体激光器进行光纤耦合的方法。首先, 将16只808 nm单管半导体激光器分成两个单元, 通过空间合束将每个单元上的激光器发出的光合成一路; 然后, 利用偏振复用技术将两个单元发出的光束再次合束, 通过自行设计的聚焦系统将合束后的光束耦合进光纤实现光纤输出, 从而提高了半导体激光器光纤耦合模块的功率水平。实验显示, 当工作电流为5.8 A时, 通过芯径为200 μm、数值孔径(NA)为0.2的光纤的输出功率为67 W, 耦合效率达到84%。此模块在功率和光束质量方面满足激光塑料焊接等应用的要求。

采用12只出射波长为976 nm的传导冷却半导体激光短阵列为发光单元, 研制出了百瓦级高功率光纤耦合模块。首先, 利用光束转换器(BTS)和柱透镜对每只半导体激光短阵列进行光束整形, 使得快慢轴方向光束质量接近并且发散角相同; 然后, 应用空间合束技术将每6只半导体激光短阵列在垂直方向上叠加, 形成一个激光组, 并利用偏振分束器(PBS)将两个激光组偏振合束; 最后利用优化设计的三片式聚焦镜将激光耦合到光纤中。实验结果表明: 该光纤模块的连续输出激光功率可达418.9 W, 光纤芯径仅为400 μm, 数值孔径(NA)为0.22, 由此可得到激光亮度为2.19 MW/(cm2·str)。利用Matlab软件分析光纤出射的光束形貌为平顶分布, 显示其适合用于金属材料的硬化和焊接等领域。最后测量了模块的光谱, 电流从20 A增加到50 A时, 激光的峰值波长漂移了6.8 nm, 并且在50 A时光谱宽度为4.12 nm, 表明该光纤耦合模块散热良好。同其它类型激光器相比, 本激光模块电光转换效率和出光功率高, 适用于材料加工和泵浦光纤激光器等领域。

半导体激光器以其突出的优点具有广泛的应用前景，但受光束质量限制，使其很难作为直接光源应用在对功率和光束质量均有较高要求的领域。采用斜45°柱透镜阵列光束整形技术、自偏振合束技术和三波长合束技术，将3种波长的8个半导体激光阵列合束，研制出一种连续功率为500 W、电光转换效率为39.5%、光参量积为12.44 mm·mrad、亮度为42.8 MW/(cm2·sr)的半导体激光光源，可作为直接光源应用于工业和**等领域。

相移雅满横向剪切干涉仪非常适合于达到衍射极限的光束的波面检测。为了改进现有的在两路剪切光束中直接插入起偏器的相移雅满剪切干涉仪，提出了一种基于偏振合束的相移雅满剪切干涉仪。该剪切干涉仪利用雅满平板前后表面的反射进行分束并形成两路干涉光束，两路干涉光束分别通过剪切平板后偏振合束并进行偏振移相。它保持了常规雅满剪切干涉仪的光路结构，提高了剪切干涉图的对比度，不再存在插入起偏器引入测量误差的问题。构建了改进前、后的两种相移雅满双剪切干涉仪，并进行了相应的对比实验，实验结果很好地验证了基于偏振合束的相移雅满剪切干涉仪的实用性。

由于单管半导体激光器比半导体激光线阵、叠阵具有更好的光束质量及散热特性，因此更适用于光电干扰光源。针对于电荷耦合器件(CCD)光谱响应曲线特征，采用808 nm单管半导体激光器为光源，将24只单管半导体激光器分组集成，通过空间合束和偏振合束以提高其输出功率密度，采用自行设计的光学系统对光束进行扩束聚焦，耦合进芯径为300 μm，数值孔径0.22的光纤中，所有激光器都采用串联方式，在8.5 A电流下通过光纤输出功率为162 W，耦合效率达到84%。

利用SOA中的偏振主态的概念，理论分析了SOA中的偏振旋转的问题，并以此为基础提出了一种基于SOA中偏振旋转的光开关。这种光开关以SOA和偏振分束器(Polarization Beam Combiner，PBC)为核心元件，利用光在SOA中的偏振旋转实现了光信号的开关，这种光开关具有开关速度快，功率均衡，易集成等优点，实验得到的开关消光比达到24 dB以上，开关速度达到20 ns。