随着工业大功率激光器及其辅助设备的实用化,将先进激光技术与各类大型设备的零部件表面强化与改性技术升级紧密结合起来,激光金属材料表面热处理技术作为金属材料表面强化和改性最有效的手段之一,成为了国内外研究的热点。而光纤传输横截面为矩形的激光光束不仅可以有效提高激光热处理的效率,而且能够在狭小的零部件内部实施柔性激光热处理。高功率激光系统中的光学透镜因吸收高能量密度激光能量而在其内部产生较大温度梯度时,光学透镜将会发生热变形,透射率也随之发生变化,从而影响高功率激光系统的激光传输质量,因此合束器的光机热集成分析显得格外重要。本文按照矩阵平行排列18束光纤输出的972 nm半导体激光束,通过光束准直和空间非相干合束,获得了具有矩形光斑特征的10 kW级合束激光。在理论分析准直激光束的半径、相邻光束间距与合束激光的光斑搭接率之间变化规律、采用光学设计软件建立合束器结构模型及光学仿真软件模拟合束激光光斑能量分布的基础上,完成10 kW级18×1的矩形光斑激光合束器的研制。在200 mm的合束长度内实现了具有单一矩形光斑形貌、最大合束功率10.249 kW、焦斑尺寸31 mm×11 mm、中心波长972.34 nm、谱线宽度2.27 nm的合束激光输出。使用有限元分析软件对矩形光斑激光合束器的光学透镜建立有限元热分析模型,利用热成像仪对10 kW激光合束工作时的窗口镜温度实施测量,获取符合实际情况的空气对流热交换系数测量值,对有限元热分析模型进行修正,从而获得10 kW合束激光照射200 s时矩形光斑激光合束器中所有光学透镜的温度场、形变及热应力模拟仿真数值。光学透镜的最高温差仿真值为89.131℃,最大形变仿真值为1.21×10-6m,对应的4.74×10~6Pa最大热应力仿真值小于60×10~6Pa紫外融石英光学玻璃的热损伤阈值,验证了所有光学透镜不会产生热应力损伤。在此基础上,利用Zernike多项式作为有限元分析软件与光学设计软件的接口工具,将有限元分析得到的镜面面型带入到光学设计软件中,获得矩形光斑激光合束器中所有光学透镜通光面曲率半径的变化量。10 kW合束激光照射200 s时,光学透镜通光面曲率半径的最大变化量为0.1光圈,小于±1光圈的光学透镜加工公差,从而进一步验证了合束器的工作可靠性与结构稳定性。