Повышение мощности и энергии волоконных лазеров в основном ограничивается четырьмя факторами: нелинейными эффектами, тепловыми эффектами, оптическими повреждениями и пределами накачки. Следовательно, средняя выходная мощность и энергия импульса по одному волокну имеют пределы. Технология когерентного синтеза является эффективным средством преодоления этого ограничения. На рисунке 1 показано основное содержание исследований в этой области.
Некогерентный синтез не гарантирует когерентности синтезируемого пучка, а лишь реализует суперпозицию лазеров в пространстве. Устройство относительно простое, а сценарий применения — в основном лазерное оружие. Некогерентный синтез в основном делится на три типа: параллельный синтез, синтез пассивных устройств и спектральный синтез. При параллельном синтезе выходные концы лазера располагаются рядом, и выходной луч достигает большей средней мощности на меньшей площади и на расстоянии. Синтез пассивных устройств синтезирует несколько лазеров в один с помощью таких устройств, как поляризационные светоделители и объединители лучей. Спектральный синтез относится к синтезу нескольких узкополосных непрерывных лучей в один, который в основном завершается объемными брэгговскими решетками, дихроичными зеркалами, фильтрами, дифракционными призмами или призмами.
При когерентном синтезе необходимо обеспечить, чтобы каждый лазер имел одинаковую фазу, оптический путь, мощность, поляризацию, диаметр луча и пространственное направление. На рисунке 2 представлена схематическая диаграмма системы когерентного синтеза, которую в основном можно разделить на четыре части: светоделитель/объединитель лучей, затравка/усилитель, фазовая синхронизация и синхронизация задержки.
Когерентное объединение можно измерить по четырем параметрам: качеству луча, коэффициенту Штреля, эффективности объединения и яркости. Качество луча относится к сходству между комбинированным светом и гауссовым лучом, которое выражается коэффициентом качества луча M2. Чем ближе M2 к 1, тем выше качество луча. Коэффициент Штреля относится к отношению пиковой мощности комбинированного света к идеальной пиковой мощности с идеальным согласованием фаз. Это связано с ситуацией фазовой синхронизации и коэффициентом заполнения апертуры. Коэффициент заполнения апертуры относится к отношению площади апертуры луча к общей площади объединяемой решетки.
Чем меньше фазовая расстройка, тем выше коэффициент заполнения апертуры, тем выше коэффициент Штреля и тем ближе когерентное сложение к идеальному состоянию. Эффективность объединения — это отношение объединенной мощности света к общей мощности каждого канала до объединения. Чем ближе соотношение к 1, тем оно идеальнее. Яркость связана с выходной мощностью, длиной волны и качеством луча, как показано в формуле 1, где C — коэффициент, связанный с формой луча, а C, соответствующий гауссову лучу, равен 1. Яркость комбинированного луча — это произведение эффективность объединения, количество объединяемых каналов и яркость одного канала.
В зависимости от типа светоделителя/объединителя когерентный синтез можно разделить на два типа: мозаичная апертура и заполненная апертура. Коэффициент заполнения апертуры тайлового синтеза апертуры составляет менее 1, что может быть достигнуто с помощью четырех типов устройств: коллиматорной решетки, микролинзовой решетки, пучка волокон и многосердцевинного волокна. На рис. 3 показаны результаты моделирования распределения интенсивности света на различных дистанциях распространения при использовании для синтеза коллиматорной решетки. Чем компактнее расположение коллиматора, тем ближе коэффициент заполнения апертуры к 1, тем лучше эффект синтеза, а теоретический предел эффективности составляет 76% [2]. Устройство синтеза тайловой апертуры проще, но эффективность синтеза ниже.
Коэффициент заполнения синтеза с заполненной апертурой равен 1, а эффективность синтеза относительно высока. Его можно разделить на четыре типа: синтез поляризации, синтез интенсивности, синтез дифракции и синтез отражения, как показано на рисунке 4. Синтез поляризации подразумевает использование поляризационного светоделителя или тонкопленочного поляризатора для синтеза двух ортогонально поляризованных световых лучей. в один, а количество путей синтеза можно увеличить за счет каскадной структуры. Синтез интенсивности относится к методу использования светоделителя интенсивности для синтеза двух путей света одинаковой мощности в один путь, а интерференция холостого светового порта достигается за счет фазовой синхронизации, а многолучевой синтез также может быть достигнут за счет каскадная структура.
По сравнению с синтезом поляризации, синтез интенсивности подходит для случаев с более высокой средней мощностью. В дифракционном синтезе используются дифракционные оптические устройства, такие как решетки и призмы, для синтеза света, падающего под углами, соответствующими различным порядкам дифракции, в один луч. Двухэтапную последовательную структуру можно использовать для расширения измерения синтеза с одного измерения до двух измерений для достижения синтеза N×N. Возможности дифракционного синтеза ограничены тепловыми эффектами. Синтез отражения достигается посредством лепесткового зеркала. Различные области лепесткового зеркала имеют разную отражательную и пропускающую способность. Когерентный синтез достигается за счет деструктивной интерференции между падающим светом и отраженным светом в направлении отраженного света. Отражательная способность каждой части имеет определенное значение. Двумерный синтез также может быть достигнут за счет вторичной структуры.
Кроме того, существует гибридный синтез апертуры на основе матриц микролинз. Световой луч разделяется и синтезируется с помощью двух матриц микролинз и линзы. Положение синтезированного луча можно регулировать, управляя фазой каждого луча [3].
Под воздействием тепловых эффектов и возмущений окружающей среды каждый сигнал имеет определенный фазовый шум, который влияет на качество синтезируемого луча и эффективность синтеза. На рис. 5 показано синтезированное световое пятно при включении фазовой синхронизации и выключении при использовании для синтеза коллиматорной решетки. Видно, что при выключенной фазовой подстройке эффект синтеза очень плохой.
Фазовую блокировку можно разделить на активную фазовую блокировку и пассивную фазовую блокировку. Пассивная фазовая синхронизация в основном включает четыре типа: фазовую синхронизацию в корезонансной полости [4], ОВФ [5], самоорганизацию [6] и связь затухающих волн. При фазовой синхронизации с корезонансной полостью выходные концы нескольких усиливающих волокон передаются обратно друг другу, что эквивалентно совместному использованию одной и той же резонансной полости, тем самым достигая фазовой синхронизации. При фазовой синхронизации, основанной на обращенных зеркалах, фаза меняется во времени за счет нелинейных эффектов, таких как вынужденное рассеяние Бриллюэна, тем самым компенсируя фазовый шум в основном усилителе. При самоорганизующейся синхронизации мод волоконная брэгговская решетка и светоделитель используются для формирования интерферометра Майкельсона для достижения связи между усилителями, тем самым фиксируя фазу. Связь по затухающей волне переводит многоканальные усилители в суперрежим, тем самым обеспечивая когерентность между каналами, и часто используется в многосердцевинных оптических волокнах.