光纤激光相干合成是突破单路光纤激光功率极限和实现更高输出功率的有效技术方案，是传统高功率激光系统走向激光相控阵高功率光纤激光系统的重要基础。介绍了高功率光纤激光相干合成的系统结构，并指出了主要研究对象和关键技术；介绍和分析了光纤激光相干合成的国内外相关研究现状和发展趋势；分析了光纤激光相干合成面临的主要技术挑战。

受热损伤和非线性效应等因素的制约，单个光纤激光器的单模输出功率受到限制。将多个光纤激光器的输出通过一定的方式进行光束合成，是实现更高功率激光输出的必然选择。介绍了光谱合成技术的发展历程和研究现状，给出了几类常见光谱合成系统的基本原理、关键要素和优缺点。介绍了中国科学院上海光学精密机械研究所在窄线宽光纤激光及其光谱合成方面的最新进展， 并对高功率光纤激光光谱合成技术的发展前景进行了展望。

掺铥光纤激光器可广泛应用于激光医疗、人眼安全雷达、非金属材料加工、光电对抗等众多领域，具有其他波段光纤激光器不可替代的重要作用。主要介绍了本课题组在高功率超短脉冲掺铥光纤激光器方面的研究进展，包括利用光纤布拉格光栅控制锁模掺铥光纤振荡器的脉冲宽度和光谱形状，实现了2 μm波段高重复频率、高稳定性的皮秒脉冲激光输出。同时，采用该皮秒脉冲激光作为种子源，研制出了百瓦量级全光纤结构的皮秒掺铥光纤放大器，最后一级功率放大器的最大平均输出功率为120.4 W，脉冲宽度为16 ps。此外，设计并搭建了全光纤全保偏结构的皮秒掺铥光纤放大系统，实现了平均功率为240 W的线偏振皮秒脉冲激光输出，偏振消光比大于15 dB，脉冲宽度为45 ps。

首先介绍了光纤激光中传统的热致动态模式不稳定的研究现状，然后重点介绍了2016年以来理论预测的准静态模式不稳定；接着，对非热致模式不稳定的研究现状进行介绍，包括电致伸缩模式不稳定和非线性效应与模式不稳定之间的关系。最后，对模式不稳定对高功率光纤放大器的功率限制进行了总结和分析。

近年来，高功率拉曼光纤激光器技术发展迅速，输出波长范围覆盖可见光至中红外波段，最大输出功率超过千瓦。在功率提升方面，拉曼光纤激光器技术的发展脉络可概括为：激光振荡器、主振功率放大器和抽运/信号集成放大器。在重要科研应用的驱动下，高功率窄线宽拉曼光纤放大器技术得到显著发展。另外，高功率拉曼光纤激光器技术还有一些新的扩展，包括包层抽运、二极管直接抽运以及拉曼光纤激光合束等，未来发展潜力巨大。

介绍了2.0 μm波段掺铥连续单频光纤激光器的实验研究进展，以实现单频光纤激光器的关键技术为主线，总结了不同腔结构掺铥单频光纤激光振荡器的研究现状与发展方向。基于种子源主振荡功率放大(MOPA)结构进行了单频激光器功率放大，介绍了高功率掺铥单频光纤MOPA激光器的国内外研究进展。此外，介绍了本课题组在高掺杂铥锗酸盐玻璃光纤制作,2.0 μm波段单频光纤激光振荡器构建,以及单频激光功率放大方面的部分研究工作。

针对半导体抽运的掺镱光纤激光器功率进一步提升面临的主要问题，分析了级联抽运方案在实现更高功率输出方面的优势和不足。简要回顾了光纤级联抽运技术的发展历程，重点介绍了掺镱光纤激光级联抽运的关键技术、研究现状和最新进展。针对级联抽运面临的抽运吸收和非线性效应问题，分析了下一步的研究方案和技术路线。并对级联抽运技术有望获得的新应用进行了简要介绍。

高功率光纤激光器是目前激光器研究发展的一个热点。抽运耦合功率将直接决定光纤激光器的输出功率。分析了光纤激光抽运耦合技术的研究现状，从端面抽运耦合和侧面抽运耦合两大基本结构出发，详细阐述了各种光纤激光抽运耦合器的技术方案和特点，并进行综合比较，针对现存问题以及今后的研究方向提出了建议。

自光纤激光器问世以来，随着半导体材料与光纤制备技术的快速发展，光纤激光器的输出功率由毫瓦级提高到了万瓦级。然而，随着输出功率的增加，光纤激光器在低输出功率下未表现出的诸多现象逐渐显现，如光纤热损伤、非线性效应、模式不稳定等，这些现象限制了光纤激光器的应用，因此对掺镱光纤的质量要求越来越高。针对高功率掺镱光纤的制备工艺、掺杂组分及结构设计等方面进行了讨论，分析了高功率掺镱光纤的热稳定性、功率稳定性及模式稳定性的研究现状，并总结了其发展趋势。

针对现有边发射半导体激光器远场发散角大、光束质量差等问题，引入光子晶体人工微结构实现模式扩展和模场分离，改善了单芯片半导体激光器的性能，实现了高亮度高光束质量的激光输出。理论分析并模拟了光子晶体半导体激光器对光场的调控机制，并介绍了几种典型的光子晶体半导体激光器。在光子晶体激光器实现低垂直发散角的基础上，设计了不同的结构实现了大功率、单模、高亮度等特性的输出。实验验证了光子晶体能带效应在提高半导体激光光束质量、提高亮度等方面的调控作用，其能够突破普通半导体激光器面临的限制，有助于半导体激光更有效地应用在光纤激光器抽运和激光加工等领域，为半导体激光的直接应用奠定了基础。

利用普通大模场面积掺镱保偏双包层光纤作为增益介质，采用啁啾脉冲放大技术搭建了全保偏光纤飞秒激光放大系统。由于全保偏光纤结构，系统具有较高的集成度和长期稳定性。将系统中积累的三阶色散与放大过程中引入的非线性啁啾相互补偿，通过控制展宽光纤的长度，优化了压缩后脉冲质量和宽度。同时分析了周期性光谱调制对放大输出的影响，通过优化保偏（2+1）×1光纤合束器的制作工艺，解决了其引起的周期性光谱调制问题，最终获得重复频率为111 MHz，压缩后输出平均功率为9 W，对应脉宽为260 fs，单脉冲能量为81 nJ，保偏比为13 dB的高质量飞秒激光脉冲输出。

拉制了两种低损耗、单模、近红外宽带传输的空芯反谐振光纤，并用于高功率超短皮秒脉冲传输。利用无节点结构的空芯反谐振光纤实现了平均功率为74 W、单脉冲能量为185 μJ、峰值功率为10.8 MW的超短脉冲传输，且输出激光在频域和时域上均没有发生明显变化。

在高功率光纤激光器中，增益光纤的热效应是限制激光功率提高的重要因素之一。传统的温度测量方法只能测量到增益光纤的表面温度，无法得到增益光纤内部不同位置的温度。采用分布式光频域反射（OFDR）技术测量全光纤放大器中增益光纤纤芯的温度。对采用OFDR技术得到的温度测量结果进行了标定，验证了OFDR测量工作状态下放大器内增益光纤温度的准确性。测量了输出功率为6 W的全光纤放大器内增益光纤纤芯的温度分布，测量结果与理论相吻合。这种测温方法为未来高功率光纤激光器的温度监测提供参考。

搭建了由国产1908 nm掺铥光纤激光器抽运的中红外可调谐窄线宽Cr∶ZnSe激光器。该激光器为X型腔结构，在抽运功率6.8 W时连续光最大输出功率为1.6 W，对应的斜效率为26.7%，中心波长为2420 nm。采用Littrow结构实现了2284~2716 nm的连续可调谐，调谐范围为432 nm，半峰全宽(FWHM)为0.13 nm；抽运功率5 W时采用输出比22%的耦合输出镜在2350~2510 nm范围内获得了大于500 mW的输出。采用Littman结构实现了2305~2658 nm的连续可调谐，调谐范围为353 nm，FWHM小于0.05 nm；抽运功率5 W时可在2350~2520 nm范围内实现300 mW以上激光功率输出。

搭建了以掺镱光纤作为增益、单模光纤提供随机分布反馈的随机光纤激光器，最大输出功率为5.1 W，半峰全宽(FWHM)为0.34 nm。以该激光器作为种子源，通过全光纤主振荡功率放大实现了1102 W的激光功率输出，光光效率为78.5%。放大过程中输出激光的FWHM基本保持不变，均方根(RMS)谱宽为1.24 nm。为进一步压缩随机光纤种子源的光谱线宽，利用窄谱光纤光栅对随机光纤种子源进行滤波，然后再进行放大，最大输出功率为1093 W，FWHM为0.61 nm，均方根谱宽为0.92 nm。放大过程中未观察到明显的放大自发辐射与受激布里渊散射现象。

提出了一种主振荡光纤放大系统，围绕提高脉冲信号的峰值功率和拓宽系统重复频率的调制范围两方面进行了实验研究。实验采用电脉冲调制和声光调制的方式对光脉冲序列进行调制，抑制了半导体种子源在小信号放大时产生的放大自发辐射效应和自激振荡，解除了种子源对系统重复频率的限制，使系统的重复频率在1~200 kHz范围内连续可调。在声光调制器对光脉冲的调制过程中，声光Q开关有效抑制了放大过程中由自相位调制引起的光谱展宽。实验采用大模场棒状光子晶体光纤作为增益介质，提高了光脉冲的峰值功率和输出光的光束质量，抑制了因峰值功率过高引起的非线性效应，最终实现了脉冲宽度为1.12 ns、峰值功率为2.01 MW的稳定光脉冲输出，平均功率超过56 W，输出光束质量接近衍射极限(M2x=1.49，M2y=1.54) 。

实验研究了高重复频率、宽光谱皮秒脉冲掺镱光纤激光器。该激光器为全光纤结构，采用主控振荡器的功率放大器技术，利用光纤中的非线性效应进行光谱的展宽。利用半导体可饱和吸收镜实现振荡器的被动锁模,输出中心波长为1031.3 nm，3 dB光谱宽度为1.51 nm，脉冲宽度为3.1 ps，重复频率为21.3269 MHz。再利用声光调制器使振荡器的重复频率降低到2.1 MHz，降频后的信号光通过三级掺镱光纤放大器，在30 μm/250 μm大模场双包层掺镱光纤中实现了功率主放大，最后得到平均功率为20 W、脉冲宽度为20.8 ps、光谱宽度为640~1700 nm、单脉冲能量为9.5 μJ、对应峰值功率为0.46 MW的脉冲激光输出。

为得到脉冲宽度为12 ps、中心波长为1064 nm的高功率超连续谱，提出了一种全光纤结构的超连续谱光源。将该光源作为抽运源，其输出功率在芯径为10 mm的掺镱光纤中被放大至189 W。利用窄带滤波器、级间隔离器对脉冲信号进行放大,将放大后的脉冲信号注入长度为0.5 m的光子晶体光纤，产生了光谱范围为460~1700 nm、输出功率为102.8 W的超连续谱。由于存在量子亏损和光谱传输损耗，当抽运功率从1.5 W提高至189 W时，超连续谱光-光斜率效率从90%降低至20%。

基于衍射理论，建立了光束经过体布拉格光栅衍射的光束质量分析模型。在考虑入射光束参数和体布拉格光栅参数的情况下，分析任意光束经过体布拉格光栅衍射的光场分布，计算得到二阶矩意义下的束腰和光束质量M2因子，并分析了体布拉格光栅空间周期、入射光束尺寸、光谱线宽和初始入射光束质量M2对衍射光束质量的影响。研究结果表明，衍射光束质量受体布拉格光栅和入射子束共同影响：体布拉格光栅周期越小，其空间色散越严重；入射子束尺寸越大、光谱线宽越宽、初始光束质量越差，衍射后的输出光束质量劣化越明显。该模型给出了衍射后的光束质量表示，可方便快捷地得到不同输入光束衍射后的光束质量。在最高入射功率达千瓦量级时，实验测量了初始M2和光谱线宽两部分贡献对衍射光束质量的结果，并与相应理论分析进行了比较。

采用掺钕双包层大模场保偏光子晶体光纤(PCF)作为增益介质，实现了1.06 μm连续激光运转。实验采用线型谐振腔，光纤一端研磨成0°角作为自由耦合输出端，并提供4%的反馈光用于维持谐振腔内的激光振荡。激光器阈值为2.4 W，斜效率为18.8%。当抽运功率达到30 W时，最大输出功率为4.94 W，光束质量因子为1.30，偏振串音为-7.9 dB，输出激光的中心波长为1062.7 nm。实验结果表明，掺钕双包层大模场PCF具有良好的单模传输特性和保偏性能，有利于激光器实现高功率高光束质量的激光输出。

基于时分复制脉冲放大的理论模型，数值研究了五级双折射晶体组级联时分复制光纤放大系统中各参数对皮秒放大脉冲特性的影响。结果表明，子脉冲之间非线性相移积累的不同会导致耦合效率降低。当时分复制后子脉冲间距大于2.5倍脉宽时，子脉冲串耦合效率达到最优。在光纤放大器非线性系数和最大增益一定的条件下，为获得峰值功率为10 MW的变换极限皮秒放大脉冲，给出了种子脉冲峰值功率和增益光纤长度的选择范围。在光纤长度确定的条件下，为了降低晶体偏转角和透射率对放大脉冲性能的影响，应选择低峰值功率的种子脉冲和高增益的光纤。

分别以碳掺杂的乙醇、甘油、单推-3和聚叠氮缩水甘油醚（GAP）为典型的液态工质，在不同能量激光注入的情况下，研究了烧蚀产物及其诱发的工质溅射，获得了推力变化规律。结果表明，溅射初期的高速喷射过程是推力形成的主要阶段。随后的溅射过程使质量流量增大，但对冲量耦合的贡献较小，进而使得整体推进性能下降。

以不锈钢为研究对象，对比研究了单、双光束激光焊接过程中的熔池形态和焊缝形貌，建立了二者之间的相关性。结果表明，单、双光束激光焊接具有不同的熔池形态演变过程，光斑间距会影响双光束激光焊接熔池尺寸及焊缝形貌。双光束焊接过程中匙孔之间的相互作用垂直于双光斑连线方向，形成强烈的熔体流动，而单光束焊接熔体向匙孔周围均匀流动。熔体流动方式的不同是导致单、双光束焊缝形貌差异的关键。

针对单晶镍基高温合金DD4在激光直接成形过程中熔覆层开裂的问题，利用不同工艺在定向凝固DZ125L基体上成形DD4零件，研究了DD4零件熔覆层的裂纹种类和裂纹特征以及基本工艺参数对DD4零件裂纹率的影响。提出了利用感应加热辅助激光直接成形的方法来消除DD4零件熔覆层裂纹。结果表明，DD4零件熔覆层裂纹分为凝固裂纹和液化裂纹两种，其中绝大多数裂纹为液化裂纹；降低激光功率，增大扫描速度，选取合适的搭接间距和提升量都有利于降低DD4零件熔覆层的裂纹率。试验中通过优化工艺参数，可将DD4零件裂纹率降低至0.230 mm/mm2。裂纹率会随着感应加热温度的升高而下降，感应加热温度为1200 ℃时裂纹率可降低至0.017 mm/mm2。

采用Abaqus软件建立有限元模型，分析了激光功率密度对孔周表面残余主应力分布的影响。进行了不同功率密度下的激光喷丸（LP）试验，通过X射线应力分析仪测量了孔周区域特征点三个方向的残余应力值，并计算了各点对应的主应力。结果表明，LP之后孔周的残余应力呈现各向异性；最小残余主应力可有效表征喷丸强化效果，随着激光功率密度的提高，最小残余主应力值减小。另外，LP后小孔附近出现典型的残余压应力环，最小残余主应力明显小于其他喷丸区域的；当功率密度超过一定阈值时，此环呈现远离孔壁的趋势。

成形带连接筋双层薄壁件时，筋与薄壁连接处易产生凹凸缺陷。如控制不当，随着堆积的进行凹凸缺陷愈加明显，易导致堆积失败。提出等体积法侧向搭接工艺，通过控制喷头扫描路径中起、停偏移量控制侧向搭接量，从而获得了熔覆形貌平整的筋、壁相贯连接面。提出基于层高检测技术的功率控制工艺来保证堆积过程中熔覆层形貌不失稳，完成了带筋双层薄壁件激光直接成形实验。成形的带连接筋双层薄壁件间隙约为2.6 mm，尺寸偏差在5%以内；显微组织致密均匀，无明显的气孔、裂纹等缺陷，显微硬度在640~770 HV之间。

利用6 kW光纤激光器，采用预置粉末法在304不锈钢表面激光熔覆制备Fe17Mn5Si10Cr5Ni记忆合金涂层。利用扫描式电子显微镜、X射线衍射仪及往复摩擦试验仪等设备对涂层的微观组织、相组成进行研究，对涂层及基材的耐磨性能、接触疲劳特性进行对比分析，并利用小孔法对试样的残余应力进行测量。结果表明：记忆合金涂层自界面到顶端分别由平面晶、包状晶、柱状晶组成；涂层磨损机制为磨粒磨损，基材磨损机制为粘着磨损，涂层磨损量仅为基材磨损量的三分之一，耐磨性优于基材；涂层接触疲劳强度优于基材；熔覆试样残余应力较基材低。应力诱发γ→ε马氏体相变是涂层力学性能优异的根本原因。

采用选区激光熔化技术加工哈氏合金试样并进行后处理，分别分析了沉积态、热处理态、热处理+热等静压态试样的宏观/微观组织特征，并测试了室温/高温拉伸性能。结果表明，沉积态试样横向/纵向均出现微裂纹，但未出现析出物。热处理后，横向组织为等轴晶，纵向组织为交错分布的细柱状晶和粗柱状晶，这些晶粒内部存在两种形态差异显著的析出物。热等静压处理后，晶粒显著长大，析出物分布均匀化，试样的室温拉伸性能达到锻件标准；相比于纵向拉伸性能，横向拉伸性能具有高强度低塑性的特征。

针对原curamik微通道热沉因进水通道流量不均而导致散热不均匀的现象，基于FLUENT软件对其进行数值模拟。从内部结构及热沉材料方面提出优化方案，并进一步获得在热沉高度和进出口宽度为固定值的条件下，微通道宽度、间距及通道脊长度3个因素分别对芯片表面温升和压降的影响规律。根据优化的参数，通过选区激光熔化技术制备获得纯镍微通道热沉并进行芯片封装测试。结果显示，微通道热沉散热均匀，热阻为0.39 K/W，压降为140 kPa，能够满足输出功率为80 W的半导体激光器单巴条芯片的散热要求。

针对单模光纤的容量极限问题，利用少模光纤实现了4×100 Gbit/s的双偏振正交相移键控交叉复用的长距离准单模双向传输，达到了1700 km的传输距离。对系统中多径干扰(MPI)和二次瑞利散射(DRS)分别进行了研究。利用301个抽头的恒模算法有效补偿了长距离传输过程中的MPI损伤，使系统的传输性能提高了约1 dB。使用波形整形器有效抑制了DRS导致的信号质量劣化。结果表明，这些处理方法可将系统的传输距离从1400 km延长到1700 km。

研制了一套探头末端直径为1 mm的血管内扫频光学相干层析成像（IV-OCT）系统。为了确保探头内格林透镜的中轴线与安装在微型电机轴上的直角棱镜的中轴线对准，制作了尺寸匹配的塑料套管；将格林透镜插入塑料套管后与微型电机一同安装于聚四氟乙烯（PTFE）管中，制成了末端直径为1 mm的探头。对光源自带的k-clock信号进行硬件滤波以去除其中的直流分量和谐波分量，提高了系统分辨率。对等波数域间隔重采样后的干涉光谱数据进行加窗、快速傅里叶变换(FFT)、取对数、背景去除后，将得到的多个轴向扫描(A-scan)数据进行坐标变换、重建，从而得到圆环显示的样品图像。实测系统纵向分辨率为11.8 μm，横向分辨率为24 μm，成像帧速为30 frame/s。利用研制的IV-OCT系统，实现了管状白胶带、小葱葱管、藕、离体鸭血管样品的OCT成像。

针对惯性约束聚激光装置终端光学系统中使用的大口径超薄晶体的面形畸变，探索了一种低应力新型夹持方法——四周回形全紧固夹持法。从谐波转换模型和晶体准直两方面进行了分析，表明晶体面形畸变将降低三倍频效率和导致准直光斑弥散，并提出了晶体面形总畸变小于5 μm和晶体装夹畸变小于加工畸变的两项控制目标。再根据力学模型，设计了四周回形全紧固夹持法的精密装配结构，并对该结构进行了精密加工控制和有限元分析，以及实验验证。验证结果表明，利用低应力新型夹持方法，晶体装配后的总面形畸变小于5 μm，说明该方法能够满足晶体的面形畸变控制目标。

提出了一种利用光纤布里渊散射效应抑制光反馈半导体激光器时延特征的方法。实验研究发现，当平均功率为200 mW的混沌激光注入到长为10 km的单模光纤中，经过光纤的后向布里渊散射作用，混沌激光自相关曲线在时延105 ns处的峰值从0.251降低到0.075，互信息曲线在时延105 ns处的峰值从0.087降低到0.008。在此基础上，实验分析了注入光功率对混沌激光时延特征抑制效果的影响，结果表明，当混沌激光注入的平均功率在200~1500 mW范围内时，混沌激光的时延特征得到有效抑制；当测量次数在1~50范围内时，光纤布里渊散射对混沌激光时延特征的抑制效果较稳定。

基于时分复用技术，提出了一种分布式弱光纤光栅（FBG）阵列振动探测系统。通过匹配干涉仪检测相邻弱FBG的干涉信号，可以得到振动信号的频率、相位和位置等相关信息，从而实现高灵敏度分布式测量。使用3×3相位解调方法对干涉信号进行解调，可以有效地降低系统的相位噪声。采用光栅个数为660、间距为2.5 m的弱FBG阵列对该系统进行了验证。实验结果表明，系统的干涉条纹可见度与相邻弱FBG的波长差有关；同时，系统能准确地分辨出不同频率的信号，频率响应范围在20~1000 Hz之间，具有很好的频率响应；与标准的地震检波器对比发现，该系统传感单元具有更高的灵敏度。

为了解决光纤传感器中普遍存在的温度和应变交叉敏感问题，基于少模光纤的模间干涉原理，研究了LP01和LP02模式干涉的应变和温度传感特性，详细分析了模间干涉传感的相位灵敏度理论。结合少模光纤的数值仿真结果，设计了一种温度不敏感的应变传感少模光纤，其纤芯直径为15.1 μm，在1550 nm下纤芯折射率为1.4512，包层折射率为1.444。搭建了实验系统来研究少模光纤温度和应变传感特性，结果表明：理论计算能够较好地预测实验结果；少模光纤在0~600 μm范围内，应变的相位灵敏度为0.0196 rad/μm，在30~330 ℃范围内，对温度不敏感，可有效改善温度和应变的交叉敏感问题。

为了给低空飞行安全气象服务奠定基础，根据2015年7~9月国内新研制的全光纤相干激光测风雷达，联合边界层风廓线雷达和双经纬仪探空气球在我国东北某地获取的探测实验资料，对比了晴天、阴天、雾霾天和雨天4种天气类型下激光测风雷达和风廓线雷达与探空气球风场探测的相关性，以评估激光测风雷达的测风精度和稳定性。结果表明，晴、阴和雾霾天条件下，激光测风雷达测风精度优于风廓线雷达，其水平风与真值误差的标准差低于风廓线雷达的一半；雨天条件下，激光测风雷达探测高度受限，最大可测高度仅为风廓线雷达的一半，表明其风场探测受降水衰减影响比风廓线雷达严重。激光测风雷达测风稳定性优于风廓线雷达，垂向连续高度上其与真值的相关系数变化小且均达到0.9以上。晴、阴和雾霾天条件下，两种雷达测风精度均受大气风速变化影响，且随大气风速增加呈不同变化趋势。

研制了一种新型凹锥形表面增强拉曼散射（SERS）光纤探针，研究了光纤探针凹锥形结构的制备方法，分析了凹锥光纤探针形貌与腐蚀时间的关系，通过化学自组装法将金纳米颗粒固化到凹锥内表面，制成凹锥SERS光纤探针，并测试了其远程SERS检测性能。结果表明，凹锥形光纤探针具有更低的光纤拉曼光谱背底，约为同种光纤制备的锥形探针的1/3；在633 nm的激发波长下，固化金纳米颗粒的凹锥探针对于罗丹明6G（R6G）溶液的拉曼光谱远程检测浓度低至100 nmol/L。这种凹锥形结构使基底不易脱落，探针不易损坏。基于上述优点，该种凹锥形光纤探针可能在SERS远程检测领域具有潜在的应用价值。