理论和实验研究了一种基于双多层电介质膜(MLD)光栅色散补偿构型设计的光谱合成激光器，该激光器既实现了多路光纤激光高光束质量共孔径光谱合成输出，也降低了单路光纤激光的线宽要求。优化了该激光器的光束质量退化分析模型，分析了激光波长、光栅色散和光谱结构对光谱合成输出光束质量的影响，实验研究了不同功率水平下的光谱合成输出光束质量变化特性，获得了最大输出功率为9.6 kW的高光束质量共孔径合成输出，光束质量M2为2.9，合成效率达到92.0%。通过进一步压缩每路光纤激光的线宽并提升其功率或增加合成路数，可以获得更高功率和更高光束质量水平的共孔径激光输出。

半导体激光器光栅-外腔光谱合束是一种实现高亮度半导体激光(DL)输出的有效方法。本文采用mini-bar叠阵作为合束光源，有效减小了“smile”效应对合束效率的影响，匀化了合束后的快慢轴光束质量，便于进一步的光纤耦合输出。采用柱面镜作为外腔镜，有效抑制了合束中的互锁定现象，从而取代了传统的空间滤波，减小了系统规模。在工作电流为75A 时得到了159W 的高亮度DL 输出，合束光谱宽度为11.97 nm，电光效率为47.35%。当工作电流为60A 时，合束光的快慢轴光束质量分别为3.145 mm·mrad与3.554 mm·mrad。

分析了衍射光学元件实现共孔径相干合成的物理过程,建立了基于衍射光学元件的共孔径相干合成数学模型,推导了合成光束复振幅与入射光束和衍射光学元件相位分布之间的关系.提出用合成光束强度分布的均匀性作为评价函数的优化方法,获得了一维衍射合束器的相位分布.与文献报道的衍射光学元件分束器相比,可获得更高的合成效率.采用模拟退火算法结合随机并行梯度下降算法优化合束器设计,提高了计算效率,获得了多束衍射合束器的相位分布和合成效率.分析了单子束失效及合束器像差对合成效率的影响,结果表明:随着合束数量的增加,单子束失效对合成效率的影响逐渐减小;若使合成效率退化小于5%,衍射光学元件的波像差均方根值应控制在λ/28以内.

采用多层介质膜衍射光栅实现多路高功率光纤激光共孔径光谱合成有望成为光纤激光同时实现高功率、高效率和高光束质量的最具发展潜力的技术途径。搭建了一套基于双光栅色散补偿设计的5 kW共孔径光谱合成系统。采用国产多层介质膜衍射光栅实现了5路kW级窄谱子束激光的高效优质共孔径光谱合成,最大输出功率达5.07 kW,光束质量因子(M2)小于3,合成效率达到91.2%。初步研究表明: 多层介质膜衍射光栅在较高功率水平、较宽光谱范围内均能保持较高衍射效率,是实现高功率光纤激光高效率光谱合成的重要器件; 参与合成的子束自身的光束质量水平和线宽是影响合成输出光束质量的重要因素,光谱合成系统的输出功率主要受限于窄谱子束的输出功率和合成路数,增加窄谱子束的功率或合成路数均可进一步提升系统的输出功率。

半导体激光器由于受波导结构和芯片封装等因素的限制，其快慢轴方向上的光束质量差距较大，主要用作抽运源，即被当成亮度转换器使用，很难作为高亮度光源直接应用。介绍了提高输出光功率密度和输出光束质量的非相干合束技术——光栅外腔反馈光谱合束技术，以及近几年来的国内外的发展现状，梳理了半导体激光器外腔光谱合束技术发展的若干重要动向，为以后半导体激光器光谱合束技术的发展提供了参考。

光束拼接激光相干合成中，拼接占空比不高导致合成光束能量集中度不够理想，为了解决这个问题，提出了激光场相干叠加光束合成技术路线，设计了基于半反半透合束镜的多级激光场相干叠加光束合成方案。研究了子光束之间的光强差和波面误差对相干合成的影响，结果表明，激光场相干叠加光束合成中，对参与合成子光束的光强差、相位差的容差均不难满足：仅考虑单一因素时，子束光强相差三倍时合成效率仍可达90%，相位误差小于π/5时，合成效率可达到90.5%。搭建了基于半透半反合束镜的两束激光场相干叠加光束合成实验装置，实验验证了激光场相干叠加光束合成技术的可行性，在闭环情况下得到了稳定的合成光束输出，合成效率可达95%以上。

分析了激光相干合成装置及其光路调整要求, 提出利用剪切干涉检测合成光路中子光束一致性的方法。分析剪切干涉原理, 建立了剪切板干涉物理模型, 以相干合成中两路矩形光束拼接组束为例, 数值模拟并研究了子光束的整体倾斜、离焦所对应的剪切干涉条纹, 得到了条纹图像与子光束光轴误差、离焦误差之间的对应关系, 用于相干合成光路中子光束光轴和发散角误差的判断。光轴倾斜大于5 μrad时, 可以直接观察互干涉和自干涉条纹变化, 发散角在大于10 μrad时, 干涉条纹变化明显。此外, 剪切干涉的自干涉条纹平移可用来检测子光束间的活塞误差, 可作为光束拼接相干合成中闭环相位检测和控制的手段。

用于抽运钛宝石的电光调Q Nd:YAG激光器会出现自锁模调制，导致峰值功率不稳从而损伤钛宝石晶体，为了抑制这种自锁模调制，分析了产生该现象的原因，研究了谐振腔内插入法布里珀罗(F-P)标准具的技术方案。实验采用单个厚度20 mm，膜层反射率60%的标准具，有效抑制了该Nd:YAG激光器的自锁模调制，实现了脉宽约70 ns，脉冲能量约600 mJ的1064 nm激光的稳定输出，既避免了引入较大的插入损耗，又防止了对F-P标准具膜层的损伤。分析认为单个厚度合适、膜层反射率不太高的标准具可有效抑制Nd:YAG激光器自锁模现象的原因在于:标准具一个透射峰半峰全宽(FWHM)内理论上虽有约5个纵模，但偏离透射峰中心的纵模损耗较大，使得单个透射峰内实际起振的纵模可能只有1个；激光器的增益线宽内虽存在标准具的多个透射峰，但起振纵模因不相邻避免了形成相位锁定。

针对激光烧蚀碳悬浮液以及液体介质中的石墨靶形成不同尺寸大小的纳米金刚石,对金刚石颗粒的形成进行了分析。基于激光器参数以及合成条件比较分析了两种烧蚀产生的物理化学差异,并根据热力学条件计算了金刚石颗粒的平衡尺寸和激光烧蚀后形成的碳团簇的冷却速度以及Wilson-Frenkel生长定律进一步计算了纳米金刚石的生长速度、生长时间、生长尺寸。计算结果表明,不同参数的激光烧蚀条件下产生的高温高压碳团簇的大小和密度决定了冷却速度以及生长时间,并最终决定了纳米金刚石尺寸。另外根据金刚石晶体最低能量计算结果也验证了超细纳米金刚石形成的理论基础。动力学与热力学理论计算结果和实验结果相一致,合理解释了不同尺寸纳米金刚石的形成。