高功率半导体激光器（Laser Diode Array，简称LDA）因其高电光转换效率、小体积、低成本、质量轻、寿命长、高可靠性等优点而广泛地应用于工业激光加工、医疗、军事、科研等诸多领域。LDA还是一种非常重要的照明光源和泵浦光源，这些应用需求对光束质量都有着比较严格的要求，即：均匀的能量分布、较高的能量利用率、多样的光斑外形以及尺寸。然而，半导体激光的强度分布在快慢轴方向上严重失衡，需要对其整形匀化，使光斑的强度均匀分布，能量利用率高。微透镜阵列（Micro-lens Array，简称MLA）在光束整形方面的理论、应用已经非常成熟，具有结构紧凑，稳定性好，安装和调试比较方便，可同轴使用及透过率高等优点，其缺点是由于制作工艺水平的限制，微透镜阵列存在过渡区，填充比不高，面型难以控制的问题；而菲涅耳微透镜（Fresnel Micro-lens，简称FML）是一种典型的衍射光学元件，具有体积小、填充比高、特征尺寸小、理论衍射效率高、色散矫正能力好、设计自由度多等优点，同时具备传统折射微透镜的所有功能。综合两者的优势，取长补短，本文提出了采用大口径菲涅耳微透镜阵列对高功率半导体激光光束进行整形匀化的方法。文章首先介绍了微透镜阵列在光束匀化方面的研究现状以及光束整形的方法，然后基于标量衍射理论，介绍了菲涅耳衍射微透镜的设计理论与方法，并设计了菲涅耳微透镜阵列高功率半导体激光光束匀化系统。基于菲涅耳衍射公式，采用数值模拟的方法对系统进行了模拟仿真，分析了各种因素对焦斑均匀性的影响，最后通过实验验证了该系统的可行性，所获焦斑强度均匀性在快轴方向的均方根为12.34%，能量利用率为96.60%；慢轴方向的均方根为5.42%，能量利用率为95.74%。该系统实现了对光束的整形匀化，并解决了传统折射微透镜阵列难以实现高填充因子、高精度面型的难题。