激光清洗是基于大脉冲激光能量在受清洗物表面的选择性吸收,对于附着于工件表面的污物和油漆等实现无接触、无化学试剂清洗的一种新型清洗方式。由于激光清洗具有高效、精准、无接触、低污染、无二次排放的特点,近年来在许多领域实现了快速增长。特别是针对高价值的军用目标,如飞机蒙皮和战车外表等,可以保证对于高价值目标的快速清洗,大大降低了战机和战车的维护保养成本及时间周期。为此,科技部组织相关单位,结合军工院校和装备维护厂家实施“大功率激光清洗装备应用示范”重点专项,目标任务是实现兆瓦级超高峰值功率多模激光柔性传输整形和远程清洗作业应用于战机蒙皮在线激光清洗应用示范,以满足我国对战机进行高效、无损伤维护的需求、同时在民用领域填补国内空白,打破国外对民航客机维修垄断。光纤具有结构紧凑可靠的特点,是柔性传输光脉冲的良好介质,但如何将高峰值功率,高平均功率的纳秒激光脉冲耦合进光纤而不发生破坏成为在线激光清洗装置的重要核心技术。开发和研究用于大功率脉冲激光的光纤耦合柔性传输系统具有重要的意义。本文研究的重点是针对兆瓦级高峰值功率千瓦级高平均功率短脉冲激光向大芯径特种光纤耦合过程中存在的空气击穿和光学损伤问题,综合采用微透镜阵列光束匀化和光端帽技术消除在激光聚焦及后续过程中的高峰值功率、高光强问题,实现高峰值功率短脉冲激光光束向大芯径特种光纤的耦合。借助于光导纤维的波导能力和柔性传输作用,为峰值功率10MW,平均功率1500W的固体激光器设计开发一套光纤耦合装置,实现了高峰值功率和高平均功率激光光束的长距离柔性传输。为此,在理论分析和数值模拟上,本论文中运用Zemax光学设计软件的序列和非序列相结合的混合模式对该新型激光器在系统中的光斑整形、耦合及其损耗等技术问题进行了研究和分析,经过对不同类型的光纤耦合解决方案的研究分析,在理论分析、耦合仿真的基础上采用微透镜阵列镜组整形耦合的方法,完成激光与多模光纤的整形耦合体系,将光斑直径12mm的光束注入芯径1000μm多模光纤并实现高效率耦合。这种耦合方法在理论可以达到98%的最高耦合效率。在此基础上结合Zemax和Origin软件,我们综合分析了当耦合模块与光纤对接和调试工作中出现不同误差时对光纤耦合效率的影响,分别给出了多模光纤耦合系统在不同误差范围内的耦合效率变化的曲线关系,为多模光纤耦合系统在工程应用中的装配容差及工艺窗口管控标准制定提供了技术参考。实验上,按照理论分析和计算机仿真的结果,采用Solidworks和CAD制图软件对高峰值脉冲、高平均功率激光器输出对多模光纤的耦合进行了机械设计,并在此基础上加工并搭建了整套与光纤耦合系统元器件相适应的机械结构。经实验测试,在轴向偏差小于0.35mm、纵向偏差小于0.11mm、角度偏差小于0.25°时,光纤耦合效率最高约为93%。在高峰值功率,高平均功率激光耦合中无激光空气击穿、无光路光学损伤发生,达到了高峰值功率、高平均功率激光飞机蒙皮清洗系统对于耦合技术环节的技术要求。上述实验结果是目前国内已见报道的高峰值功率激光对多模光纤高效耦合的最高功率水平,实现了在该技术环节上的重大工程突破,为保障国家重大科技项目的完成和国防战机的维修保养做出了相应的贡献。