受限于光纤波导本身热效应、模式不稳定效应、光子暗化效应及诸多非线性效应,单路光纤激光亮度提升能力有限。光纤激光相干合成(Coherent beam combination,简称CBC)技术能获取更高亮度的激光输出。就高功率主动分孔径相干合成系统而言,其长距离应用和到靶功率密度的提升是目前相干合成领域的国际难题。本文选取光纤激光目标在回路(Target-in-the-loop,简称TIL)CBC技术作为研究对象,开展了系统的理论和实验研究。1、综合考虑激光光束特性、发射系统参数、湍流大气传输、目标特性参数和控制算法,首次建立TIL-CBC全数值模型。仿真分析了不同湍流强度和不同目标参数情况(静态有限孔径目标、静态扩展目标和动态扩展目标)下的系统闭环控制效果。结果表明对于有限孔径的合作目标,桶中功率(Power-in-the-bucket,简称PIB)评价函数可以很好的用于TIL自适应相位控制;对于扩展的非合作目标,大气湍流对控制效果影响较大。基于扩展的惠更斯-菲涅尔原理,理论并数值分析了TIL体系下目标特性对高功率窄线宽光纤激光阵列时域相干性及合成效果的影响。研究表明只要初始光程差为0,目标特性对窄线宽激光光源的时域相干性基本无影响,依然可在目标靶面实现较好相干效果。2、成功研制出可承受高功率光纤激光输出的共形发射系统,并基于共形发射系统进行了一系列室内CBC实验,验证了自研共形发射系统的性能与可靠性。首先成功研制了可承受kW级高功率输出同时保持近衍射极限光束质量的自适应光纤准直器,并通过改进结构在保证控制范围大于±30μm的同时,将其一阶谐振频率从200Hz提升至约3kHz;其次发明了一套基于PD和CCD的大尺寸光纤激光光束质量测量方法,该方法经验证方便有效,为共形发射系统的性能表征提供了有效方案;再次成功设计制作了3路“品”字形排列和具有文献公开报道的最大阵列填充因子96.7%和最大截断系数1.12的六角密集型排列的7路高功率光纤激光共形发射系统,并基于两套共形发射系统开展了近场相干合成实验研究,分析了光束倾斜、光束离焦和光束截断对相干合成效率的影响,验证了自研共形发射系统的有效性。3、基于自研七单元六角密集型光纤激光共形发射系统开展了一系列TIL-CBC实验研究。首先开展了基于合作目标的六路150m光纤激光TIL-CBC实验,在主动相位控制开启之后,目标靶面处的中央主瓣区域内的光能量占比由22.3%提升至33.4%,验证了PIB评价函数用于光纤激光TIL-CBC系统的可行性。其次在国内首次成功实现了公里级传输距离下的6路光纤激光TIL-CBC,在倾斜控制与活塞相位控制同时开启之后,目标靶面处的中央主瓣区域内的光能量占比提升了3.1倍,达到21.1%,与此同时归一化光强极大值提升了4倍。之后基于共形发射系统,初步探索了TIL-CBC技术在大气参数表征及空心光束产生等新领域的应用。最后,提出基于TIL技术的光谱合成方案,并进行了理论分析和初步实验验证。4、对基于CBC技术的光纤激光阵列光束调控进行了拓展理论研究与实验研究。理论上分析了利用阵列光束CBC技术对合成光场进行相位调控生成类涡旋光束的可行性及其模态的正交性,实验上基于6路光纤激光CBC系统首次实现了轨道角动量分别为±1的涡旋光束的生成。