针对传统高功率光纤激光器焊接不稳定、飞溅量大、难以实现精密焊接的问题，设计了一种光斑可调的信号合束器，首次以50 μm/70 μm/600 μm/620 μm/660 μm大芯径环形双芯光纤作为输出光纤，基于光束非相干合成技术，通过RSoft软件对合束器进行了模拟仿真，分析了其模场变化情况，设计的合束器满足绝热拉锥以及亮度守恒两个原则，调控拉锥比（TR）使其可以实现中心和外环独立工作。采用套管法将7根25 μm/250 μm光纤耦合到一起形成熔锥光纤束，再将其与输出光纤进行熔接，制成了高功率大芯径环形光斑可调信号合束器。此光纤合束器的传输效率≥98%，中心光束质量因子（M²）仅为1.76，此时中心端口输出功率为3.036 kW。而后对合束器进行了耐环境测试，合束器在低温与高温下表现出的传输特性良好。将该光斑可调的环形光斑信号合束器应用到激光器中，通过调节中心和外环激光功率，可以在任何温度环境下实现超高速焊接，为激光复合焊接提供了一种新途径。

长波红外量子级联激光器（QCL）具有波长设计灵活、体积小、寿命长等优点。目前单横模QCL较低的输出功率（1~3 W）是限制其应用的主要因素。光纤功率合束技术是提升输出功率的有效手段。然而由于长波红外波段缺少低传输损耗的玻璃光纤，使得高效率长波红外光纤功率合束的实现难度很大。本文研究了基于低损耗单模空芯光纤的长波红外激光功率合束技术。针对基横模长波红外QCL有源区尺寸大、发散角大的特点，设计了大数值孔径扩展光源双非球面准直镜，有效提高了单模光纤耦合效率。设计制备了无端面损耗的长波红外单模光纤束，光纤传输效率高达91.2%，实现了7.6~7.8 μm波段QCL的高效率合束。当4个长波红外QCL的输出总功率为2.27 W时，采用所设计的光纤耦合光学系统及制备的4×1单模空芯光纤合束器获得了1.5 W的连续输出，总合束效率为66%。此外，测量得到单根单模长波红外光纤耦合输出光的光束质量因子M²为1.2，光强分布和光束质量因子均优于QCL的直接输出激光，说明空芯单模光纤具有一定的非高斯光束模式净化作用。合束光束的传输质量因子为2.6，依然具有较好的光束质量。本文所研究的光纤合束方式对QCL的输出波长、偏振态均不敏感，且具有良好的可扩展性。实验结果表明，此方式可有效解决长波红外QCL单元器件输出功率偏低的问题。

研制了一款输入输出均为50 μm大芯径信号光纤的高泵浦光耦合效率、高光束质量保持的（6+1）×1反向泵浦/信号合束器。利用仿真软件分析了锥区长度、拉锥比例以及玻璃管折射率对泵浦光耦合效率的影响，纤芯轴向偏移量对信号光传输效率及光束质量的影响。合束器的制作中，使用半掺氟的薄壁玻璃管提高泵浦臂性能，泵浦耦合效率大于98.5%，无主动制冷情况下温升小于10 ℃/kW。采用包层腐蚀变径技术保证信号光纤在组束过程中纤芯不变形，并通过光束质量因子反馈对准熔接，实现了高光束质量保持的合束器的研制，光束质量退化比仅为3.4%。在合束器信号光纤尾端制作包层光滤除器并熔接端帽构成一体化器件，应用于单级主振荡功率放大结构的窄线宽激光系统中，实现了4.1 kW近单模输出，拉曼抑制比为40.5 dB。

采用具有模式转换和无损传输特性的三模非模式选择光子灯笼（PL）实现了976 nm波长的半导体激光的相干合束。相对于半导体激光常规空间孔径相干合束的方式，所提合束光场不会产生旁瓣，且能拥有较高的光束质量。通过仿真PL合束特性，搭建合束实验系统，最终976 nm波长的半导体激光基模输出功率达99.7 mW，转换效率为33.2%。实验结果表明，此合束系统实现了模式转换，使半导体激光能够以基模输出，展现了一种有潜力的半导体激光相干合束的方法。

大功率高光束质量半导体激光器在激光加工、激光通信、科学研究等方面有着广泛的应用，提高半导体激光器的功率和光束质量一直都是国际的研究前沿和学科热点。合束技术是提高半导体激光器输出功率最简单有效的方法。非相干合束技术提高输出功率往往以损失空间、偏振或光谱特性为代价，在对光束特性要求不高的场合应用较为成熟。相干合束技术在提高半导体激光器输出功率的同时还能提高光束质量、压窄频谱宽度，是高亮度窄线宽半导体激光技术发展的重要方向。本文简述了相干合束技术的原理及要求，从锁相技术出发，综述了半导体激光器相干合束技术近年来的发展现状，总结了主动锁相和被动锁相的优缺点，主动锁相技术采用主振荡放大结构通过相位负反馈技术实现锁相，在合束单元数量上具有优势，能获得大功率相干输出，但结构较为复杂。被动锁相技术结构简单，一般通过外腔的衍射效应或者共腔技术实现单元间的相位锁定，具备自组织锁相特点，但不易获得高功率输出。最后对半导体激光器相干合束技术的未来发展进行了展望。