为实现快速、柔性矩形光斑激光表面热处理，提出了一种基于空间非相干合束的10 kW矩形光斑激光合束器。同时入射该合束器的18束光纤传输的972 nm半导体激光束按照“交错式矩形”同轴排列。在构建18束激光总体热源数学模型基础上，对10 kW激光合束1 000 s时间内合束器中所有光学透镜的温度分布、热变形分布和热应力分布规律进行了有限元分析研究，结合实验测量验证了合束器长期工作的安全性和可靠性。连续运转1 000 s时，合束器输出的矩形合束激光的最大功率达到10.64 kW，功率不稳定性<±1.2％。研究结果可为超高功率激光空间合束系统的安全性和可靠性评估提供参考依据。

激光表面热处理技术是进行金属材料表面强化和改性的最有效手段之一。为实现高速、柔性激光表面热处理，按照矩阵平行排列18束光纤输出的972 nm半导体激光束，通过光束准直和空间非相干合束，获得了具有矩形光斑特征的10 kW级合束激光。在理论分析准直激光束的半径、相邻光束间距与合束激光的光斑搭接率之间变化规律、采用Code V光学设计软件建立合束器结构模型及TracePro光学仿真软件模拟合束激光光斑能量分布的基础上，完成了10 kW级18×1矩形光斑激光非相干空间合束器的研制。在200 mm的合束长度内实现了具有单一矩形光斑形貌、最大合束功率10.249 kW、焦斑尺寸31 mm×11 mm、中心波长972.34 nm、谱线宽度2.27 nm的合束激光输出。