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高功率半导体激光器直接应用于工业加工领域，具有效率高、可靠性好、寿命长、体积小等优点。本文主要围绕着建立一个应用广泛的半导体激光器直接光束整形系统的光学模型，完成了基于材料表面加工应用的千瓦级半导体激光器光束整形光学系统的设计与模拟。其主要内容如下： （1）详细分析了3KW半导体激光熔覆机器人系统的工作特性，阐述了对半导体激光光学系统进行光学模拟的必要性，并归纳出半导体激光器直接光束整形系统的四项基本结构：快轴准直的DL阵列光源，慢轴准直和匀化结构，非相干合束结构，聚焦透镜组或光纤耦合输出结构。 （2）针对高功率半导体激光器直接用于工业加工领域，建立了大光腔结构半导体激光器阵列的光源模型。另外，考虑到半导体激光器在快轴方向的较大的发散角，设计了快轴准直微柱面镜阵列，获得了将近衍射极限的快轴发散角（θ≈0.9948mrad）。 （3）采用等效的光源建模方法，完成了空间合束过程的建模。设计了慢轴准直柱面镜，得到慢轴方向的整体发散角小于10mrad。采用Cooke三分离物镜，设计了聚焦光学系统结构。 （4）最后，根据课题的要求，本文完成了基于材料表面加工应用的千瓦级半导体激光器光束整形光学系统的整体建模，获得长宽比在8:1-25:1之间，在慢轴方向均匀分布的矩形窄条形光斑；系统输出功率为1117.6W，峰值功率密度为1.1587×106W/cm2。