對多束激光進行相干合成是實現(xiàn)激光功率提升的同時保持光束質(zhì)量的有效技術(shù)途徑，它的發(fā)展歷程幾乎和激光技術(shù)的發(fā)展同步，已經(jīng)應(yīng)用于各種類型的激光器。

　　激光相干合成實現(xiàn)的關(guān)鍵就是要讓每一束激光“心往一處想，勁往一處使”，相位、偏振、光束傾斜度等光參量就是每束激光的“心”和它們要用的“勁”。近十年來，科學家們圍繞著光源性能、光束控制等關(guān)鍵領(lǐng)域，讓每一路激光“配合”得越來越協(xié)調(diào)，不斷推動著激光相干合成技術(shù)邁上一個又一個新的高峰。

　　相干合成的單元激光

　　相干合成系統(tǒng)的基礎(chǔ)單元是每一個單獨的激光器，若要系統(tǒng)總體發(fā)揮出能力，那么每一個成員的性能自然也要精益求精。為保證相干合成系統(tǒng)的輸出性能，參與合成的單束激光需具備模塊化、緊湊化、高效率等特點。近年來，在廣泛的理論探索和工程實踐基礎(chǔ)上，以光纖激光、固體激光、半導體激光為代表的激光器逐漸脫穎而出，成為研制相干合成系統(tǒng)的三種高性能單元模塊。

　　固體激光器是早期人們用于研究相干合成技術(shù)的“寵兒”，其中利用Nd:YAG板條激光為基本合成單元的相干合成系統(tǒng)在本世紀初率先實現(xiàn)了百千瓦級輸出功率。

　　然而，在一段時期內(nèi)，板條固體激光器難以同時實現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量輸出，并且電光效率相對較低。近幾年，研究人員通過引入光束凈化和Yb:YAG介質(zhì)等方式，改善并提高了高功率固體激光的光束質(zhì)量和效率等。

　　目前，固體激光是激光的重要實現(xiàn)方式。無論是高重復頻率高平均功率激光系統(tǒng)，還是低重復頻率超高峰值功率激光系統(tǒng)，相干合成都是重要發(fā)展方向。

　　相比于傳統(tǒng)的固體激光，光纖激光器是一支后起之秀。在先進制造、大科學工程等領(lǐng)域的需求牽引下，光纖激光的性能不斷提升，并朝著“任意功率、任意波長和任意輸出模式”的方向發(fā)展。此外，光纖激光器還具備轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、可柔性操作等特點，是目前相干合成系統(tǒng)采用的最多的激光器類型。

　　光纖激光的特點使其具備大陣元數(shù)目合成的潛力，國防科技大學在2020年實現(xiàn)了107路光纖激光相干合成，這是目前公開報道的光纖激光相干合成路數(shù)。

　　圖1 國防科技大學課題組研制的107路光纖激光相干合成實驗系統(tǒng)和實驗效果

　　半導體激光具備高效率、體積緊湊、長壽命、高可靠性等優(yōu)勢，但其相干合成的發(fā)展卻“不溫不火”，主要原因是高功率半導體激光的光束質(zhì)量相對較差。

　　近年來，隨著芯片設(shè)計、材料生產(chǎn)和器件制備等技術(shù)的不斷發(fā)展，半導體激光的性能不斷提升。利用內(nèi)/外腔光反饋技術(shù)，半導體激光已經(jīng)可以實現(xiàn)高單色性的窄線寬輸出;利用半導體光放大器，半導體激光可以在實現(xiàn)高功率輸出的同時獲得較好光束質(zhì)量。值得注意的是，基于光譜合成的高功率半導體激光系統(tǒng)的亮度已經(jīng)接近甚至達到相同功率量級的固體激光系統(tǒng)。

　　相干合成的使能技術(shù)

　　相干合成的本質(zhì)是通過各路激光的參量控制和激光陣列的孔徑填充，實現(xiàn)激光陣列的同相位、高占空比輸出，從而達到提升激光陣列亮度的目的。其中，對各路激光的相位、傾斜、偏振、光程和高階像差的控制以及對陣列激光進行孔徑填充是關(guān)鍵技術(shù)。

　　(1)相位

　　在單路激光中，相位幾乎從不顯山露水;而當多路激光合成時，相位則對光場強度的調(diào)控發(fā)揮著重要的作用。為保證高效穩(wěn)定的相干合成過程，各路激光必須維持穩(wěn)定的相位。

　　然而，由于在激光產(chǎn)生和傳輸過程中難免產(chǎn)生相位的波動起伏，這時就需要對整套系統(tǒng)設(shè)計一種相位補償技術(shù)。

　　根據(jù)相位控制的物理機理，通常可以將其分為被動相位控制和主動相位控制兩大類：前者是一種被動補償技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，無需復雜的控制系統(tǒng);而后者則可以通過算法設(shè)計實現(xiàn)對各路光束更靈活的控制。

　　(2)傾斜

　　高能激光在自由空間傳輸過程中，由于每一路皆會受到熱效應(yīng)、大氣湍流等因素的影響，在目標處難以有效重疊，致使能量分散。為此，科研人員引入了傾斜控制技術(shù)。

　　最常見的傾斜控制方法是使用快速傾斜鏡。傾斜鏡通過外加壓電控制信號，改變反射鏡面的整體傾斜量。這一方案技術(shù)成熟、簡單有效。但當陣列數(shù)目較多時，系統(tǒng)光路將過于復雜。

　　為了實現(xiàn)光纖激光陣列傾斜控制的緊湊化，研究人員提出了自適應(yīng)光纖準直器(AFOC)的技術(shù)方案。該方案利用壓電陶瓷驅(qū)動輸出光纖，可以實現(xiàn)傾斜控制和激光準直的一體化設(shè)計。

　　(3)偏振

　　在激光傳輸過程中，垂直于傳播方向上快速振蕩的電/磁場分量，就是激光的偏振方向。為了提升光束合成效率，一般要求各路激光的偏振方向相同，因此在相干合成系統(tǒng)中，人們還需要對激光偏振進行有效的控制。

　　比如，在光纖激光相干合成系統(tǒng)中，通常采用保偏光纖放大器進行功率放大，使激光保持較好的偏振特性，在輸出端利用半波片進行靜態(tài)的偏振調(diào)節(jié)，從而達到良好的相干合成效果。另外，還可以搭建非保偏放大器，在放大器的前端利用偏振控制器進行偏振預補償，從而實現(xiàn)更高功率的線偏振激光輸出。

　　(4)光程和高階像差

　　除了上述光學參量的控制以外，各路激光之間的光程差會引起群延時效應(yīng)、時域誤差和非線性相移誤差，降低相干合成效率。在高功率激光系統(tǒng)中，高階模以及從波導到自由空間的元件還會引入許多高階像差，引發(fā)光束質(zhì)量的退化，因此人們還需同時引入光程控制技術(shù)和高階像差控制技術(shù)。

　　國防科技大學利用空間光路調(diào)節(jié)、被動光纖熔接、光學延遲線(ODL)和光纖拉伸器(FS)相結(jié)合的多級高精度光程控制方法，實現(xiàn)了全光纖飛秒激光相干合成系統(tǒng)的光程差慢漂移自適應(yīng)控制。

　　圖2 國防科技大學課題組設(shè)計的適用于高精度實時控制光程差的實驗系統(tǒng)

　　(5)孔徑填充

　　為了提高陣列光束遠場光斑的能量集中度，減少陣列光束遠場光斑中旁瓣的能量占比，通常還需要利用孔徑填充技術(shù)提升陣列光束的占空比。

　　在人們對各路激光的相位、傾斜、偏振、光程以及高階像差的綜合控制技術(shù)越來越成熟時，激光相干合成也逐漸向更寬廣的方向發(fā)展。

　　目前，研究人員利用空域/時域合成、相干光譜合成技術(shù)實現(xiàn)了對超快激光的相干合成，獲得了萬瓦級高平均功率激光輸出。

　　此外，利用超短脈沖激光已經(jīng)實現(xiàn)了變頻激光的相干合成，為特殊波長激光或者極端光場研究提供了有效的技術(shù)途徑。

　　圖3 德國Jena大學課題組實現(xiàn)的平均功率為10.4 kW的飛秒脈沖相干合成系統(tǒng)

　　相干合成的廣闊應(yīng)用

　　相干合成后的激光系統(tǒng)具備著更好的光束質(zhì)量、更高的功率甚至更復雜有趣的光場模式，已逐漸應(yīng)用于非線性頻率變換、雷達與導星、光場調(diào)控、激光通信及大科學裝置等領(lǐng)域。

　　相干合成技術(shù)是解決非線性頻率變換系統(tǒng)泵浦亮度的重要技術(shù)途徑。

　　2017年，日本大阪大學的科研人員利用相干合成光纖激光泵浦高功率亞納秒脈沖激光系統(tǒng)，實現(xiàn)了千瓦級1040 nm基頻脈沖激光輸出，重頻為10 MHz、脈寬為285 ps;經(jīng)過頻率變換系統(tǒng)，獲得了平均功率為600 W的520 nm激光輸出(二次諧波)和平均功率為300 W的347 nm激光輸出(三次諧波)。

　　對于520nm激光和347 nm激光而言，上述平均功率都是非常先進的技術(shù)指標。

　　在鈉導星、激光雷達等應(yīng)用領(lǐng)域，通常需要窄線寬高亮度的光源。

　　2010年，歐洲南方天文臺對3路1178 nm的單頻拉曼放大器進行相干合成后再進行倍頻，獲得了50 W的589 nm鈉黃光輸出，成功應(yīng)用于激光導星。

　　2013年，美國羅徹斯特大學成功將相干合成技術(shù)運用到多通道光纖慢光雷達系統(tǒng)中，使其具備了二維掃描能力。

　　在空間光通信領(lǐng)域，相干合成技術(shù)也可用于對光信號的多孔徑接收以及對信號光的合成發(fā)射。

　　充分利用相干合成系統(tǒng)中每一路激光的調(diào)控能力，可以產(chǎn)生許多有趣的結(jié)構(gòu)光場。

　　比如，對光場的相位空間分布進行調(diào)控，可以產(chǎn)生具有螺旋波前結(jié)構(gòu)、攜帶軌道角動量的渦旋光束;對光場的偏振態(tài)空間分布進行調(diào)控，可以產(chǎn)生具有奇異聚焦特性的矢量光束;對光場的振幅和相位空間分布進行聯(lián)合調(diào)控，可以產(chǎn)生具有無衍射傳輸特性和自加速、自聚焦特性的艾里光束等。

　　這些結(jié)構(gòu)光場展現(xiàn)出新穎的物理效應(yīng)和現(xiàn)象，極大地拓展了激光技術(shù)的應(yīng)用。

　　圖4 相干合成產(chǎn)生OAM 光束的原理與實驗結(jié)果

　　值得一提的是，在促進基礎(chǔ)物理發(fā)展的大科學裝置中，激光相干合成系統(tǒng)也能大展身手：國際相干放大網(wǎng)絡(luò)工程(簡稱ICAN)將采用數(shù)以萬計的超短脈沖進行相干合成，產(chǎn)生一個峰值功率極高的超級光源，這將成為下一代粒子加速器的驅(qū)動源。

　　該光源在激光推進、粒子束產(chǎn)生、原子能和空間碎片清理等方面也將發(fā)揮重要作用。

　　圖5國際相干放大網(wǎng)絡(luò)工程概念圖

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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