激光无线能量传输在无人机、卫星空间站和探月机器人供电等方面具有潜在应用前景，其系统效率成为了其应用的关键瓶颈。为了提高激光无线能量传输系统发射端激光器的电光转换效率、接收端光斑均匀性和有效窗口收光比，提出了用于激光无线能量传输发射端的高效率半导体激光器设计方案。基于合束效率较高的空间合束设计了一套高功率高效率半导体激光系统，接收端光斑不均匀度可优化至0.207，有效窗口内收光比大于94%。搭建了千瓦级激光无线能量传输实验装置，发射端半导体激光系统直接输出矩形光斑，与矩形光电池匹配，提高了电池阵布片率。利用多光束指向性可调节特点，优化了接收端光斑均匀度，有利于提高接收端电池的转换效率及简化电源管理。该设计与研究为激光无线能量传输的实际应用提供了借鉴意义。

本文对激光空间合束主镜进行优化设计与分析，以抑制强激光空间合束系统主镜热畸变，提高主镜面形精度。首先，对比分析了选择不同材料作为主镜基底的优缺点，从理论上初步确定了主镜材料、镜体厚度、支撑方式和轻量化结构形式；然后，利用有限元方法对空间合束主镜进行了热畸变分析，并结合热畸变结果对镜体结构形式进行拓扑优化设计；最后，对主镜进行重力、环境适应性和基频分析，验证设计的合理性。分析结果表明：6光合束主镜在单束10 kW激光辐照下，随着辐照时间的增加，镜面温升值和P-V值逐渐增大；辐照3 min后初设计主镜表面温度达83.4 ℃，P-V值为155 nm，受镜体结构影响，辐照区内热畸变值不一致，差值约占镜面P-V值的1/6；为改善热畸变的不一致性，提高镜体强度，对主镜进行拓扑优化设计，优化后主镜轻量化达54.5%，辐照区热畸变一致性好，镜面热畸变量减小了近1/3；不同俯仰姿态下，主镜重力变形值基本相同，不足10 nm；环境温度的改变会引起主镜的镜面畸变和平移，稳态温差值越大，主镜面形P-V值和镜面平移量越大；模态分析显示主镜基频满足系统要求。本文研究结果将对激光空间合束系统的设计提供依据。

为了进一步提高多单管半导体激光器的输出功率，通过对常见的阶梯型多单管半导体阵列进行分析，提出在光斑尺寸较小的慢轴方向对光束进行填充，在同样的耦合条件下，使更多的激光能量耦合进光纤中，实现更高功率的输出。文中使用光参数积作为评价光束质量的指标，论证了慢轴光束填充的可行性，利用ZEMAX仿真软件对8路常见阶梯型多单管半导体阵列和12路填充阵列进行对比仿真，在不影响耦合效率的前提下，实现了将12路波长为860 nm、输出功率3 W的单管半导体激光器耦合进芯径105 μm、数值孔径0.22的光纤中，光纤输出功率为33.4 W，光纤耦合效率为92.78%。仿真结果表明，对慢轴方向进行光束填充可以在一定程度上提高多单管半导体激光的功率输出。