高功率可见光至近红外波段的超连续谱光源在光电对抗、光学相干层析成像和高光谱激光雷达等方面具有广泛的应用前景。最近几年，涌现了一些用于产生高功率超连续谱光源的新方法，推动了高功率超连续谱光源的进一步发展。本文从主振荡功率放大结构、随机光纤激光器结构以及多路非相干合成这三种用于高功率超连续谱产生的主流方案出发，着重介绍了近年来有代表性的高功率可见光至近红外波段超连续谱光源的研究进展，并综合分析了这三种方案的优缺点以及未来的发展潜力。

为了研究光纤激光的非相干合成特性, 建立了圆环状排布的光纤激光阵列光束合成模型, 模拟分析了单元光束束腰半径w0、波前畸变和光束间距对非相干及相干合成远场光束质量的影响。讨论了多路激光平行性对非相干合成效果的影响, 并进行了相关实验验证。结果表明,单元光束无波前畸变时, 当光束间距为d0=2.8w0时, 非相干与相干合成光束质量相等; 单元光束存在波前畸变时, 光束间距有所减小, 这是因为波前畸变对非相干合成影响更小; 对于非相干合成, 随着多路激光之间不平行度的增大, 非相干合成光束质量逐渐变差, 并且单元光束质量越好, 对多路激光平行性要求越高。该研究可为实际光纤激光合成系统设计分析提供参考。

研究了热晕效应对相干合成和非相干合成的列阵平顶光束在大气中传输的影响。结果表明:当列阵平顶光束在大气中传输且存在横向风时,光斑呈月牙状;相干合成时,光斑内存在多个光强峰值;非相干合成时,光斑内始终保持一个峰值;相对于列阵平顶光束的相干合成,非相干合成受热晕的影响较小;光束阶数N越大的列阵平顶光束受热晕的影响越小,即相对于列阵平顶光束,列阵高斯光束(N=1)受热晕的影响更大;光束传输效率在自由空间中随着N的增大而减小,在大气中则随着N的增大而增大;在大气中且功率相同时,列阵平顶光束的传输效率优于列阵高斯光束的传输效率。

高能光纤激光器光束合成技术是近年来高能激光器尤其是定向能源应用中的研究热点, 可突破单根单模光纤激光的输出功率限制, 为高功率高光束质量的激光**应用奠定了理论基础。介绍了光纤激光非相干合成和相干合成的国内外研究现状, 给出了非相干合成技术中光束重叠和光谱合成的基本合成原理, 重点介绍了国内外多家研究机构光谱合成近年来所达到的技术水平; 介绍了国内外相干合成技术的最新研究进展, 对相干合成等效大口径激光阵列输出中几种不同的透射式相干合成阵列输出和反射式相干合成阵列输出的关键合成装置, 以及相干合成单一孔径输出中的核心光学元件进行详细分析。最后简要对比了高能光纤激光器光束相干合成技术和非相干合成技术的优缺点和应用范围。

基于广义的Huygens-Fresnel原理和非Kolmogorov谱模型, 推导了无线光通信系统中径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束在非Kolmogorov大气湍流中传输时瑞利区间zR和湍流距离zT的解析表达式, 对瑞利区间和湍流距离随湍流参量和光束参量的变化情况进行了数值分析.结果表明: 不论是相干还是非相干合成, 径向分布部分相干高斯-谢尔模型阵列光束的zR和zT均随湍流广义指数α的增大非单调变化, 当α=3.11时, zR和zT取最小值, 此时阵列光束扩展最大; 相干合成比非相干合成的光束扩展要小, 但其受湍流的影响更大; 对于相干合成而言, 径向分布半径r0越大, 合成光束的zR和zT就越大, 而非相干合成的zR和zT不受r0的影响; 不论是相干还是非相干合成, 阵列子光束数目对合成光束的zR和zT没有影响; 当光束相干参量β足够小或波长λ足够大时, 大气湍流对阵列光束zR的影响可以忽略.

建立了高功率光纤非相干合成光束在湍流大气中的传输模型。综合考虑了准直系统、对准误差、光束抖动和大气湍流的影响，分析了单模、多模光纤光束非相干合成系统的传输特性。理论计算表明，在准直系统设计为最佳值时，功率为10 kW的单模激光由准直系统导致的光束质量退化率约为10%，而光束质量M2因子为13、功率为30 kW的多模激光，其光束质量退化率约为1%。对于数目都为六束，总功率分别为60 kW、180 kW的单模、多模光纤光束组成的非相干合成系统，在倾斜误差没有校正时，单模光束阵列较多模光束的传输特性优势随湍流强度的增大而降低。在传输距离为5~15 km时，单模光束阵列倾斜误差完全校正时的到靶光强是无校正时的1.32倍左右，而多模光束阵列的到靶光强变化不明显。

进行了六路100 W量级光纤非相干合成光束在实际大气湍流中的传输实验,将六路光斑直径为9 mm的单模光纤光束分别扩束，扩束后的光斑直径为90 mm。基于倾斜镜的合束系统来控制各路光束的指向，在不同强度的湍流条件中，通过主镜口径为440 mm的发射系统水平聚焦传输至470 m处。倾斜控制系统闭环工作时，一倍衍射极限内的桶中功率占目标处总功率的比值是开环工作时的1.7倍左右，随着大气湍流的强度变弱，此比值变大。

推导出相干和非相干非傍轴径向阵列高斯激光束的传输公式，并用以研究了径向阵列光束在自由空间的传输特性，重点分析了阵列光束参量对合成光束光强分布的影响。结果表明：阵列半径与束腰宽度之比是一个关键参量，当它固定时，相干和非相干合成光束的光强分布都保持不变，但合成光束的光强分布和远场轴上光强最大值都与合成方式有关。

反射层析激光成像雷达只能获得目标的二维轮廓像，不能对平面目标进行成像。报道了聚束模式下的非相干合成孔径激光成像雷达实验，在这种成像模式下，可以对二维平面目标进行图像重构。采用侧视观察的模式获取目标的角度距离强度信息，然后通过滤波反投影实现平面目标的图像重建，并进行了计算机仿真，证明了实验结果的正确性。该系统作为非相干合成孔径激光雷达的一种，实现了区别于目标轮廓的二维成像，具有一定的实际意义和使用价值。