针对激光淬火在大型风电轴承生产中的实际需求，研制了一种功率高达15 kW的光纤耦合半导体激光淬火光源。该光源先采用915 nm和976 nm两个波段各8个宏通道冷却技术封装的半导体激光微巴条阵列作为发光单元，进行空间、偏振及波长合束，在光纤芯径为200 μm、数值孔径为0.22的光纤中实现了超过800 W的连续输出，电光转换效率整体达到45%以上。再通过19×1光纤合束器对19个800 W模块进行合束，由输出端口光纤直径为1 mm的光纤耦合输出。光束经过由微透镜阵列与聚焦镜复合的加工头，光斑匀化，最终输出了功率大于15 kW、光斑尺寸为165 mm × 25 mm的激光束，满足了大型风电主轴轴承滚道面淬火需求。

光谱合束是提升高功率半导体激光器光束质量和亮度的关键技术之一。增加激光单元数量是提升光谱合束功率的主要途径，但同时造成合束光学元件尺寸变大，激光谐振腔变长不利于光谱合束光源的实际应用。提出了分离反射式中继成像光谱合束结构，将大尺寸中继成像镜分解成小尺寸的柱面反射镜阵列，每个激光线阵独立成像。最终12个激光线阵共计228个激光单元的光谱合束的输出激光功率为442.9 W，电光转换效率为41.8%，光谱范围为777.12～811.28 nm，光参量积为4.00 mm×mrad，与单元激光接近。所提结构为多激光单元光谱合束提供了一种可行方案，有利于激光器的工程应用。

结合伪逆关联成像和迭代去噪关联成像, 提出了关联成像目标重构的伪逆迭代方法.该方法以伪逆关联成像重构结果为初始值, 选取合适的与噪声干扰相关的阈值, 通过迭代运算逼近实际的噪声干扰, 最终抑制噪声并提高重构图像的峰值信噪比.以峰值信噪比和相关系数为衡量标准, 将伪逆迭代关联成像的重构结果与差分关联成像、伪逆关联成像进行对比分析.仿真实验结果表明, 伪逆迭代方法的峰值信噪比较伪逆关联成像方法、差分关联成像方法分别高出约1.0 dB、3.1 dB, 同时其相关系数、视觉效果也有所改善, 验证了该方法的有效性.

测量了高功率976nm InGaAs量子阱半导体激光器在低于1/30阈值电流下的低频电噪声，提出了以1/f噪声时域信号小波系数相关性与电流的关系来分析噪声来源的方法.结合1/f噪声源理论模型及小波变换系数的特性，完成了不同偏置电流下纯1/f噪声、加白噪声后的1/f噪声两种情况下的对比实验.实验结果表明：所测的低频噪声表现为明显的1/f噪声，对于纯1/f噪声，噪声幅度和小波系数相关性在判断噪声来源时具有相同的结果；对于加白噪声后的1/f噪声，噪声幅度变化很大且不能正确表征1/f噪声来源，而部分尺度下的小波系数相关性仍能作为判断噪声来源的可靠参量.

在归一化关联成像的基础上, 结合压缩感知理论, 提出了基于压缩感知的归一化关联成像方法。该方法首先对物臂的桶探测值进行归一化处理, 并由散斑场构造测量矩阵;然后采用正交匹配追踪算法, 在低测量次数下优质量地还原出了物体的像。实验中采用灰度图像及二值图像作为成像目标, 以峰值信噪比作为衡量标准, 分别对传统关联成像, 归一化关联成像及压缩感知归一化关联成像的重构效果进行了量化对比。仿真实验结果表明, 对于细节较为丰富的灰度图像, 压缩感知归一化关联成像的峰值信噪比较传统方法高6 dB左右, 比归一化关联成像方法提高了2 dB左右;对于细节较少的二值图像, 其峰值信噪比较归一化关联成像法高3.4~4.3 dB, 比传统法高5.2~6.5 dB。最后, 采用实际电荷耦合元件测得的散斑场构造了测量矩阵, 实验结果进一步验证了基于压缩感知的归一化关联成像算法能提高重构质量。

半导体激光器低频电噪声的大小受器件潜在缺陷的影响，与器件可靠性具有相关性。介绍了半导体激光器噪声测试及参数提取的原理，设计了基于超低噪声前置放大器和低频频谱分析仪的低频电噪声测试系统，可测量半导体激光器的低频电噪声并提取相关噪声参数，进而通过低频电噪声的研究对半导体激光器进行可靠性评价，具有灵敏度高、非破坏性等优点。

根据压缩传感理论和关联成像模型, 将压缩传感理论应用于关联成像中, 实现了传统的双臂关联成像的压缩传感重构。通过仿真实验验证了压缩传感用于关联成像的可行性, 以峰值信噪比(PSNR)为衡量指标, 分别对压缩传感和传统关联算法的重构图像质量进行了量化。仿真实验表明, 压缩传感和关联算法的重构效果均随测量次数的增加而变优, 在相同的测量次数下, 压缩传感在关联成像中的重构图像的PSNR比传统的关联重构图像高20 dB以上。将压缩传感用于实际双臂关联成像的实验结果表明, 压缩传感可以实现双臂关联成像装置的图像重构, 但其重构质量很难优于传统关联算法的重构。针对这一实际实验与仿真实验似乎相矛盾的特殊现象, 从双臂对称性的角度进行了合理解释, 并利用实验中实际的散斑场对该现象进行了验证, 最后提出了解决方案。

激光合束是实现高功率半导体激光输出的主要途径，常规激光合束提高功率时合束激光的光束质量变差。外腔反馈光谱合束技术利用半导体激光振荡与外部光学系统相结合的方式合束，在提高激光功率的同时，合束激光的光束质量即为激光单元的光束质量。研制出一种基于透射光栅的3个970 nm半导体激光线阵的外腔反馈光谱合束光源，实现连续激光功率为140.6 W、光束质量为4.367 mm·mrad的激光输出，谱宽为36.60 nm，56个波长峰值与激光单元一一对应，为获得高光束质量的高功率半导体激光光源提供了可行的方案。

利用包含透射光栅的外腔反馈结构，使半导体激光器阵列中各发光单元工作波长不相同，实现了各发光单元激射波长的啁啾。通过外腔镜使各个发光单元出射光束重叠及方向一致，实现半导体激光器阵列的光谱合束，从而提高半导体激光器的光束质量。采用前腔面镀有增透膜的激光器阵列实现功率为52.2 W的连续波激光输出,电-光转换效率达到47.9%，光谱线宽为15.17 nm。整个阵列输出光束的光参量积达到3.7 mm·mrad，与阵列中单个发光单元的光束质量基本一致。

对1 060 nm高功率垂直腔面发射激光器的有源区进行了理论计算和设计。对比了GaAsP、GaAs和AlGaAs三种不同材料的垒层所组成的高应变InGaAs量子阱的性能。为了确定有源区阱层和垒层的参数, 考虑了自热效应对功率的影响, 使得模型更加精确可靠。发现所设计的In0.28Ga0.72As量子阱的阱宽和阱数的最佳值分别为9 nm和3个, 输出功率可以达到瓦级。另外, 对比了三种不同垒层的温度特性, 结果显示, 使用GaAsP垒层的器件在高温下具有更高的功率和更好的温度稳定性。最后, 利用MOCVD生长了InGaAs/GaAsP量子阱并测试了其PL谱, 实验数据与理论结果符合得很好。