多孔径激光阵列相干合束是获得高功率、高亮度激光束的有效方法。为了设计更有效的多孔径激光阵列相干合成系统, 主要分析了三光束“品”字形、七光束六角形、十九光束大六角等工程应用中的典型激光阵列排布模式对合成功率的影响, 并基于MATLAB模拟了不同阵列排布情况下的激光相干合成情况, 讨论光束排列的位置误差、发射光束光轴角度偏移误差以及各个相干合成阵列激光器之间的活塞相位误差对合成效率的影响。结果表明, 不同的激光阵排布在观察位置处的光强分布差别很大；各光束之间的角度偏差越小, 初始相位差越小, 相干合成的效率越高。这些结果将对于指导设计多孔径激光阵列相干合成系统有重要意义。

针对多级合成结构, 分析了几个主要误差对偏振合成效率的影响, 具体计算了合成效率随直径偏差、功率失衡、偏振度的变化规律。数值模拟结果表明, 当两束光直径与功率完全相同时具有最大的合成效率, 随着两束光直径和功率的偏差增大合成效率都会降低, 相对而言合成效率对功率失衡的容差更大, 当功率失衡为10%时, 合成效率下降0.06%。结果表明I型结构具备向多链路拓展的可行性。

大功率光纤激光器受制于单光纤输出的非线性效应,需要将多个光纤激光器组成光纤激光器阵列进行光束合成,以形成单束聚焦光束,并保证光束在湍流大气中长距离传输后仍可获得高功率、高光束质量的激光输出。以19束激光阵列相干合成系统为例,定量地分析了光束截断因子、角度抖动、湍流传输等因素对相干合成光束的影响,仿真研究了19束激光相干合成的阵列光束的相干传输过程及其在自由空间中的传输特性,用以指导实际激光阵列相干传输系统的建立与运行。

发射机在功率合成的时候，由于各固态功率源模块间存在着增益和相位的差异，会导致功率合成效率的下降。针对这一问题，本文通过建立增益和相位的一致性对功率合成效率影响的模型，并结合MATLAB软件进行计算模拟，得到不同增益和相位分布下的最低合成效率分布，为发射机功率合成系统设计提供了具体的相位和增益指标，并为发射机的评估和验收提供了有力的理论依据。

为了进一步提高相干偏振合成的效率, 采用数值模拟方式, 对偏振误差的影响及系统的拓展性进行了分析, 并计算了偏振误差在3种不同拓展结构下对相干偏振合成效率的影响。当偏振合束器的透过率和反射率分别是96%和99.5%、半波片的透过率是99.7%时, Y型结构16路光束的整体合成效率会在偏振误差增大到0.03rad时下降0.33%; 随着合成路数的增大, 合成效率逐渐降低, 当光束拓展至128路时, Y型结构的合成效率将下降至83%。结果表明, 光功率相对平衡的Y型结构具有最高的合成效率, 同时受偏振误差的影响最小。该研究确定了系统的最佳合成方案, 为基于相干偏振合成的效率分析提供了参考。

基于同轴波导径向合成器提出了一款可用于太赫兹频段的任意路数功率合成器。该功率合成器采用二阶阶梯变换结构, 实现电场方向从同轴轴向到径向的扩散传播, 并通过径向外围均匀分布的Y型功分结构实现任意路数功分。以D波段五路功率合成器为例, 采用背靠背测试, 在130 GHz到150 GHz频带内, 背靠背插入损耗优于2 dB, 带内回波损耗优于15 dB。由于是背靠背测试, 因此该功率合成器单边损耗约为0.72 dB, 折合合成效率为84.7%。

以稀疏阵相干信号干涉合成原理为基础，建立了相干信号空间功率合成数学模型。基于合成效率的概念，推导分析了交叉波束下波束交叉角度与目标点合成效率的关系。设计了栅基实验，对实验中栅格尺度的选定原则进行了推算分析，为利用计算机无失真地复现多点源功率合成能量分布规律打下了理论基础。通过仿真分析了波束交叉角度对有效功率点分布的影响。结果表明，在多点源与目标点等距、各点源频率相同、极化方向一致的情况下，目标点合成效率仅与空间中各点源之间夹角有关。当波束交叉时，有效功率点密集度与波束交叉角度有关。

在二极管激光阵列(DLA)光栅-外腔谱合成系统中，由于变换透镜像差、光栅制作误差及“smile”工艺误差等因素的综合作用，将导致DLA 发光单元间出现光束串扰。通过分析光束串扰行为的产生机理，将主要的光束串扰行为分为两类，即杂散光返回至发光单元自身，以及经外腔反馈到其他单元，进而分别导致自激振荡模式和耦合振荡模式的产生。在此基础上，给出了含串扰光注入的半导体激光器速率方程，进而推导出DLA 发光单元的合成效率模型，分析了自激振荡和耦合振荡对发光单元合成效率的影响。结果表明，杂散光返回至发光单元自身，以及经外腔反馈到其他单元这两种光束串扰行为会不同程度地降低合成效率，且后者影响更大。在实际工作中，需要采取措施对光束串扰行为加以抑制。

行波管具有高增益、宽带宽、高输出功率等优点，但频率提升到THz 后，输出功率急剧降低，为此采用多注与功率合成的方式提高输出功率。对D 波段折叠波导行波管进行的理论与数值分析表明： 单束的3 dB 带宽为13 GHz(0.134 THz~0.147 THz)， 0.14 THz 处最大增益为20.88 dB；多束合成增益为20.6 dB，3 dB 带宽内合成效率不低于92%。通过微铣削的办法加工完成了2 路折叠波导，并对其传输特性进行测量，对比分析了测试与设计结果。并行多注行波管能够以单束小电流、低聚焦磁场方式工作，可有效提高THz 行波管的输出功率。