构建轻量化、模块化的光纤激光相控阵将多路中等功率的激光进行相干合成，是实现高能激光系统的重要技术手段。目前，相干合成技术因效能不高而限制了其走向产业化应用。为此，本文针对光纤激光相控阵的高效相干合成技术进行了系统的研究。以高效相干合成为核心，重点研究了光纤激光相控阵系统的构建原则、阵列光束在大气中的相干合成和高效的锁相控制策略，力求在不同应用场景和应用需求下，将相干合成效能发挥到极致。论文的主要研究内容有以下五个部分：

第一部分，基于光波的标量衍射理论，推导了光束相干合成的远场光强分布计算模型；介绍了各种常见的光束质量评价指标的定义与特点；然后，仿真计算了光纤激光相控阵中的系统参数对相干合成光束质量的影响，在此基础上明晰了设计高效光纤激光相控阵系统的准则，并发现了振幅调控对改善相干合成光束质量的潜力；最后，基于大气湍流理论，介绍了湍流大气相位屏的概念，为阵列光束的大气传输与相干合成提供了数值研究的方法。

第二部分，设计了填充因子为0.903的高占空比19单元光纤激光相控阵系统。给出了系统各部分器件的设计方案，对关键器件的性能进行了分析，并根据19单元光纤激光相控阵系统实现了室内环境下阵列光束的高效相干合成。

第三部分，提出了基于子光束振幅调制法的高效相干合成技术。从高效相干合成的物理内涵出发，引入多维光学参量调控机制，在对阵列光束进行锁相和倾斜控制后再对其振幅系数进行调控，成功将合成光束的PIB值进一步提升了14.3%，证明了振幅调制对提升相干合成光束性能指标的巨大潜力。

第四部分，对阵列光束的大气传输和相干合成进行了理论与实验研究。首先，给出了大气湍流的像差分解方法，并验证了大气湍流低阶像差补偿校正对合成光束PIB的提升效果；其次，在2.1 km近水平大气传输环境中，实现了不同湍流强度下19单元光纤激光相控阵对目标的稳定瞄准和高效相干合成，系统进入闭环状态后，合成光束的性能指标相较于开环状态最高提升了13.4倍；最后，以簇拼接的方式，将两个19单元光纤激光相控阵模块组合在一起实现了38单元的阵列光束大气传输与相干合成。系统进入闭环状态后，合成光束的性能指标相较于开环状态最高提升了29倍，验证了该系统的阵元扩展能力。

第五部分，研究了基于深度学习的高效相干合成方法。介绍了深度学习中的卷积神经网络（CNN）在相干合成锁相任务中的工作原理及其实现高速高精度锁相控制的巨大潜力；分析了非唯一性问题对CNN泛化性能的限制，并提出螺旋相位调制法来解决非唯一性问题；基于仿真数据训练了用于高效相干合成的CNN，仿真结果表明，在7、19、37和61单元的光纤激光相控阵系统中，CNN的锁相速度均大大优于传统SPGD算法的锁相速度，能更好的满足相干合成任务的高速高精度锁相需求。

本论文围绕光纤激光相控阵的高效相干合成技术进行了理论分析、数值仿真以及实验研究。分别从光纤激光相控阵的光场调控内涵和高速的锁相策略出发，提出了基于振幅调制法的高效相干合成和基于深度学习方法的高速锁相策略等多种创新性技术方法，为后续研究打下了坚实基础。