受限于光纤本身的热效应、非线性效应、模式不稳定、光纤端面损伤、高亮度泵浦技术等,单路光纤激光亮度提升能力有限。共孔径相干合成技术能获取更高亮度的激光输出。就共孔径相干合成系统而言,其单路高亮度光源的研制和整个合成系统效率的提升是目前相干合成领域的国际难题。本文选取共孔径相干合成技术的一种典型代表-相干偏振合成技术作为研究对象,开展了系统的理论和实验研究。1、综合考虑单频/窄线宽保偏光纤放大器功率提升的两大主要受限因素—受激布里渊散射效应和模式不稳定效应,对实现全光纤结构高亮度、窄线宽、近线偏光纤激光的技术途径进行了详细探索。对比了不同增益介质、不同窄线宽种子放大下的亮度提升潜力与受限因素,研究了引入弯曲损耗机理、减小增益光纤纤芯尺寸、改变泵浦波长等模式不稳定抑制方法的可行性与适用范围;在系统研究的基础上,最终探索得到了实现2 k W级高亮度、窄线宽、近线偏光纤激光输出的技术方案。2、综合考虑实际工程系统中的多种影响因素,对大功率相干偏振合成系统开展了较全面的理论分析和相关实验验证。首先建立了相干偏振合成系统单个合成单元合成效率分析的普适理论模型,分析给出了大阵元合成系统合成效率分析的递推关系,在一定近似条件下给出了多路合成系统合成效率分析的近似表达式。随后,针对大功率相干偏振合成系统的三个重要组成部分—相位与光程控制系统、单元光束、合成元件(光纤端帽、准直器、半波片、偏振合束器),依次开展了详细的理论分析,分析给出了大阵元相干偏振合成系统对上述各种影响因素的容忍度。考虑现有技术条件,分析指出了大功率、多阵元相干偏振合成系统需研究和论证的关键技术问题。分析给出了系统主要影响因素对合成效率影响的工程评价方法,并自行设计实验完成了验证。3、针对高功率、大阵元相干偏振合成系统需论证和解决的关键技术问题开展了较详细的研究。自行设计实验验证了相位控制系统的矫噪能力,自行设计实验测试了高亮度窄线宽保偏放大器的相位噪声分布特性。论证了自主研制高亮度窄线宽保偏放大器用于高功率相干偏振合成系统的可行性,并提出了系统进一步优化的方法。为大功率、多阵元相干偏振合成系统设计了多路精度梯变式光程控制系统,对光程控制系统在复杂光谱下的可行性进行了初步实验验证。在此基础上,对其用于大功率、多阵元相干偏振合成系统的可行性进行了分析说明,提出了进一步优化的方法。设计实验对自行研制的高亮度窄线宽保偏放大器的动态倾斜抖动幅度进行了测试,证明了其能够用于大功率、多阵元相干偏振合成系统。基于高亮度窄线宽保偏放大器,对合成系统中各个元件的热透镜效应进行了测试,分析指出商业化准直系统的热透镜效应将严重限制相干偏振合成系统向高功率、大阵元拓展。为了从根本上克服合成元件热透镜效应对合成效率的影响,从透镜窗口选取、离焦补偿方式选择等方面进行了深入的研究,在研究的基础上联合研制出了大功率离焦补偿性准直系统,并对其离焦补偿精度、补偿范围等重要参数进行了测试,分析论证了其用于大功率、多阵元相干偏振合成系统的可行性。4、构建了高功率相干偏振合成系统实验平台,开展了不同类型、不同功率水平光纤放大器的相干偏振合成实验,论证了合成方案在单频激光、皮秒脉冲激光、窄线宽激光和多波长激光方面的亮度提升能力,通过系统优化不断推动合成方案迈向了新的发展水平。结合理论模型和工程评价方法,对系统输出特性进行了详细分析。以高功率实验结果为参考,分析指明了系统进一步优化的方向,并为相关系统进一步优化的目标提供了理论参考。