光纤无源器件是实现高功率光纤激光系统的重要组成单元，其性能指标直接决定着系统的整体性能参数。本文综述了国防科技大学高能激光研究团队在高功率光纤激光器用关键无源器件方面的最新研究进展，主要包括包层光滤除器、光纤端帽、信号泵浦合束器和信号合束器等无源器件，重点介绍了光纤激光无源器件的工艺制作流程、工艺难点和性能指标。

开展了基于二向色镜的三路高功率激光组束实验研究，将中心波长分别为1059、1075、1090 nm的4 kW近单模光纤激光器进行组束，实现了11.34 kW的激光输出，组束效率超过95%。随着输出功率的提升，二向色镜温升越来越高，光束质量相较于子光束呈现逐步退化的趋势，当满功率时，组束激光在两个方向的光束质量分别为M²x=2.941和M²y=3.183。分析了影响组束效率和光束质量的原因，并对二向色镜基底厚度对光束质量的影响规律进行了实验研究，为进一步优化组束激光的光束质量提供重要参考。

线偏振光纤激光器相比于随机偏振光纤激光器，在相干探测、相干合成、偏振合成及非线性频率变换等方面有广泛的应用，因此近年来受到特别关注。本文先对近几年国内外的线偏振光纤激光器研究成果进行简要总结，再针对该类激光器的偏振控制技术、光谱控制技术及光束质量控制技术进行归纳和评述。

高功率、高重复频率纳秒脉冲激光广泛应用于激光切割、激光焊接等领域。随着激光重复频率的提升，特别是高于50 kHz时，单个周期有限的时间内难以积累足够的上能级粒子，调Q脉冲的稳定性成为了激光器设计的难点。当前主要采用主振荡器的功率放大器（MOPA）方案，直接振荡获得兼具高功率、高重复频率及高光束质量的纳秒脉冲激光还比较困难。通过对激光动力学过程的仿真模拟，定量分析了高重复频率调Q过程中脉冲强度稳定性与泵浦速率的关系，并利用负透镜使振荡器工作在具有较大基模体积的热近非稳区，实现了Nd:YAG声光调Q激光振荡器在高重复频率、高功率、高光束质量三方面的均衡设计。首次利用侧泵模块实现了100 kHz高功率高光束质量纳秒脉冲激光的直接振荡产生，脉冲强度的离散系数仅为0.041，激光输出功率超过142 W，脉冲宽度为165 ns，光束质量因子M²为1.5。

激光光束质量M2因子的动态测量对激光器的设计、制造与应用均具有重要意义。本文提出了一种基于远场同轴全息的光纤激光器光束质量M2因子动态测量方法。通过偏振移相同轴全息技术直接获取待测激光的远场复振幅信息，利用角谱传输及透镜变换理论求解激光在自由空间中的光场强度分布，从而实现M2因子的动态测量。实验搭建了远场同轴全息装置，测量了不同纤芯直径光纤在632.8 nm 波长下的激光光束质量，其结果与BEAM SQUARED商用光束质量仪的测量结果一致。本文所提方法仅需0.02 s即可实现光纤激光的M2因子测量，比商用光束质量仪的测量速度提高了两个数量级以上。此外，本装置结构紧凑，能够避免透镜引入的装调及加工误差。

衍射光学元件（DOE）对入射光束的波长、束宽、光束质量等参数都有很高的要求，其中光束质量的影响无法直接通过相干光场的衍射积分得出。本文利用高斯谢尔模型（GSM）光束分析了光束质量对平顶衍射光学元件输出的影响。采用对称迭代傅里叶变换算法设计了输出平顶光斑的DOE。用模式分解的方法研究了不同光束质量的光束经该DOE后的输出光斑，发现光束质量因子增加会使输出光斑平顶区尺寸减小，导致DOE失效。从交叉谱密度出发，表明DOE的输出光斑是相干部分和非相干部分的卷积，其中非相干部分是导致输出光斑劣化的原因。给出了平顶衍射光学元件适用的最大M²因子与输入和输出光束尺寸之间的关系。给出了一种GSM光束整形DOE的设计方法，该方法有助于在低光束质量激光器中实现DOE的应用。

在二极管激光阵列（DLA）光栅-外腔谱合成（SBC）系统中，DLA子单元的发散角、指向角偏差等非完善因素会导致子单元光束经外腔反馈后产生串扰，从而降低合成光束质量和合束效率。为深入研究谱合成系统的光束串扰及其对合束特性的影响，建立了DLA在外腔往返的光传输模型，并结合含串扰光注入的半导体激光器速率方程，构建了考虑串扰光影响的谱合成系统的合束效率物理模型。在此基础上，详细探讨了串扰光经外腔往返传输之后的反馈机制及其对合束特性的影响规律，进而分析了谱合成系统DLA子单元间距、透镜焦距和光栅线密度等因素对合束效率的影响，可为DLA光栅-外腔谱合成系统的串扰抑制提供参考。

报道了采用纳秒脉冲激光器泵浦基于掺杂氧化镁周期极化铌酸锂(MgO:PPLN)晶体的高光束质量、闲频光谐振中红外光参量振荡器。通过选取曲率半径为200 mm的凹面输入镜和平面输出镜来建立平凹腔，实现了高光束质量的近-中红外激光输出。当输入的最大泵浦能量为21 mJ时，输出信号光和闲频光的最大能量分别为3.2 mJ和1.12 mJ，对应信号光和闲频光的斜效率分别为24%和9%。通过在25~200 ℃范围内改变MgO:PPLN晶体温度，实现信号光波长1.505~1.566 μm和闲频光波长3.318~3.628 μm的激光调谐输出。由于闲频光单谐振的光参量振荡器具有较大的衍射损耗和光束发散角，可以提高输出闲频光的光束质量。采用刀口法测量得到中红外激光在两个正交方向的光束质量因子分别为 $ {M}_{x}^{2}\approx 1.2 $和 $ {M}_{y}^{2}\approx 1.2 $。

激光在气体介质中传输时，气体吸收激光能量导致折射率变化，形成气体热效应，降低光束质量。针对这一问题，介绍了光‐流‐热耦合效应理论，建立了椭圆形高斯激光束的合束传输热耦合效应仿真模型。通过数值仿真分析了长方体封闭空间中由激光加热诱导的自然对流现象及流场对光束传输影响的变化过程，研究了热效应的影响因素。结果表明，气体对激光能量的吸收会导致光轴偏转，光束质量下降，远场光斑形态发生改变；封闭空间内热效应自然对流导致的光束质量下降呈先增加再减少后稳定的趋势；通过改善介质吸收和流场分布，可以有效改善气体热效应对光束质量的不利影响；合束过程中的流场分布和光束质量变化比单束光路情况下复杂。

介绍了大气湍流效应和热晕效应对列阵合成激光传输特性和光束质量影响的理论研究进展。主要介绍了合成激光在大气中传输的解析和数值模拟研究方法，大气湍流效应对列阵合成光束的光强分布、远场发散角、方向性、曲率半径和湍流距离的影响，以及大气热晕效应对列阵合成光束的光强分布、传输效率、重心偏移、热晕时间尺度和焦移的影响。研究结果表明，大气湍流效应和热晕效应对合成激光光束质量的影响与光束合成方式、合成光束参数以及大气参数密切相关。