Die Leistungs- und Energiesteigerung von Faserlasern wird hauptsächlich durch vier Faktoren eingeschränkt: nichtlineare Effekte, thermische Effekte, optische Schäden und Pumpgrenzen. Daher sind der durchschnittlichen Leistungs- und Impulsenergieabgabe einer einzelnen Faser Grenzen gesetzt. Die kohärente Synthesetechnologie ist ein wirksames Mittel, um diese Grenze zu durchbrechen. Abbildung 1 zeigt die wichtigsten Forschungsinhalte in diesem Bereich.
Die inkohärente Synthese garantiert nicht die Kohärenz des synthetisierten Strahls, sondern realisiert nur die Überlagerung von Lasern im Raum. Das Gerät ist relativ einfach und das Anwendungsszenario sind hauptsächlich Laserwaffen. Die inkohärente Synthese wird hauptsächlich in drei Typen unterteilt: Parallelsynthese, passive Gerätesynthese und Spektralsynthese. Bei der Parallelsynthese sind die Laserausgangsenden nebeneinander angeordnet und der Ausgangsstrahl erreicht in einem kleineren Bereich in einiger Entfernung eine größere Durchschnittsleistung. Bei der passiven Gerätesynthese werden mehrere Laser durch Geräte wie Polarisationsstrahlteiler und Strahlkombinierer zu einem einzigen Laser synthetisiert. Unter Spektralsynthese versteht man die Synthese mehrerer kontinuierlicher schmalbandiger Lichtstrahlen zu einem, die meist durch Volumen-Bragg-Gitter, dichroitische Spiegel, Filter, Beugungsprismen oder Prismen vervollständigt wird.
Bei der kohärenten Synthese muss sichergestellt werden, dass jeder Laser die gleiche Phase, den gleichen optischen Weg, die gleiche Leistung, die gleiche Polarisation, den gleichen Strahldurchmesser und die gleiche räumliche Richtung hat. Abbildung 2 ist ein schematisches Diagramm des kohärenten Synthesesystems, das hauptsächlich in vier Teile unterteilt werden kann: Strahlteiler/Strahlkombinierer, Seed/Verstärker, Phasenverriegelung und Verzögerungsverriegelung.
Kohärentes Kombinieren kann anhand von vier Parametern gemessen werden: Strahlqualität, Strehl-Verhältnis, Kombinationseffizienz und Helligkeit. Unter Strahlqualität versteht man die Ähnlichkeit zwischen dem kombinierten Licht und dem Gaußschen Strahl, die durch den Strahlqualitätsfaktor M2 ausgedrückt wird. Je näher M2 an 1 liegt, desto höher ist die Strahlqualität. Unter Strehl-Verhältnis versteht man das Verhältnis der Spitzenleistung des kombinierten Lichts zur idealen Spitzenleistung bei perfekter Phasenanpassung. Dies hängt mit der Phasenverriegelungssituation und dem Aperturfüllfaktor zusammen. Der Aperturfüllfaktor bezieht sich auf das Verhältnis der Strahlaperturfläche zur Gesamtfläche des zu kombinierenden Arrays.
Je kleiner die Phasenfehlanpassung, desto höher der Aperturfüllfaktor, desto höher das Strehl-Verhältnis und desto näher liegt die kohärente Kombination am Idealzustand. Die Kombinationseffizienz ist das Verhältnis der kombinierten Lichtleistung zur Gesamtleistung jedes Kanals vor der Kombination. Je näher das Verhältnis bei 1 liegt, desto idealer ist es. Die Helligkeit hängt von der Ausgangsleistung, der Wellenlänge und der Strahlqualität ab, wie in Formel 1 dargestellt, wobei C ein Koeffizient ist, der sich auf die Strahlform bezieht, und C, der dem Gaußschen Strahl entspricht, 1 ist. Die Helligkeit des kombinierten Strahls ist das Produkt aus kombiniert Effizienz, die Anzahl der kombinierten Kanäle und die Helligkeit eines einzelnen Kanals.
Basierend auf der Art des Strahlteilers/-vereinigers kann die kohärente Synthese in zwei Typen unterteilt werden: gekachelte Apertur und gefüllte Apertur. Der Aperturfüllfaktor der gekachelten Apertursynthese beträgt weniger als 1, was durch vier Arten von Geräten erreicht werden kann: Kollimatorarray, Mikrolinsenarray, Faserbündel und Mehrkernfaser. Abbildung 3 zeigt die Simulationsergebnisse der Lichtintensitätsverteilung bei verschiedenen Ausbreitungsentfernungen bei Verwendung eines Kollimatorarrays zur Synthese. Je kompakter die Kollimatoranordnung, je näher der Aperturfüllfaktor bei 1 liegt, desto besser ist der Syntheseeffekt und der theoretische Grenzwirkungsgrad liegt bei 76 % [2]. Das Gerät der Kachelapertursynthese ist einfacher, aber die Syntheseeffizienz ist geringer.
Der Füllfaktor der Synthese mit gefüllter Apertur beträgt 1 und die Syntheseeffizienz ist relativ hoch. Sie kann in vier Typen unterteilt werden: Polarisationssynthese, Intensitätssynthese, Beugungssynthese und Reflexionssynthese, wie in Abbildung 4 dargestellt. Unter Polarisationssynthese versteht man die Verwendung eines Polarisationsstrahlteilers oder eines Dünnschichtpolarisators zur Synthese zweier orthogonal polarisierter Lichtstrahlen zu einem, und die Anzahl der Synthesepfade kann durch eine Kaskadenstruktur erhöht werden. Intensitätssynthese bezieht sich auf die Methode, bei der mithilfe eines Intensitätsstrahlteilers zwei Lichtpfade mit derselben Leistung zu einem Pfad synthetisiert werden. Die Interferenz des Leerlauflichtanschlusses wird durch Phasenverriegelung erreicht, und durch kann auch eine Mehrpfadsynthese erreicht werden eine Kaskadenstruktur.
Im Vergleich zur Polarisationssynthese eignet sich die Intensitätssynthese für Anlässe mit höherer Durchschnittsleistung. Bei der Beugungssynthese werden optische Beugungsgeräte wie Gitter und Prismen verwendet, um Licht, das in Winkeln einfällt, die unterschiedlichen Beugungsordnungen entsprechen, in einem Strahl zu synthetisieren. Eine zweistufige Reihenstruktur kann verwendet werden, um die Synthesedimension von einer Dimension auf zwei Dimensionen zu erweitern und so eine N×N-Synthese zu erreichen. Die Leistung der Beugungssynthese wird durch thermische Effekte begrenzt. Die Reflexionssynthese wird durch einen Blütenblattspiegel erreicht. Verschiedene Bereiche des Blütenblattspiegels weisen unterschiedliche Reflexionsgrade und Transmissionsgrade auf. Eine kohärente Synthese wird durch destruktive Interferenz zwischen dem einfallenden Licht und dem reflektierten Licht in der Richtung des reflektierten Lichts erreicht. Das Reflexionsvermögen jedes Teils hat einen bestimmten Wert. Eine zweidimensionale Synthese kann auch durch eine Sekundärstruktur erreicht werden.
Darüber hinaus gibt es die hybride Apertursynthese auf Basis von Mikrolinsenarrays. Der Lichtstrahl wird durch zwei Mikrolinsenarrays und eine Linse aufgeteilt und synthetisiert. Die Position des synthetisierten Strahls kann durch Steuerung der Phase jedes Strahls angepasst werden [3].
Unter dem Einfluss von thermischen Effekten und Umgebungsstörungen weist jedes Signal ein bestimmtes Phasenrauschen auf, das sich auf die Qualität des synthetisierten Strahls und die Syntheseeffizienz auswirkt. Abbildung 5 zeigt den synthetisierten Lichtfleck, wenn die Phasenverriegelung ein- und ausgeschaltet ist, wenn das Kollimatorarray zur Synthese verwendet wird. Es ist ersichtlich, dass der Syntheseeffekt sehr gering ist, wenn die Phasenverriegelung ausgeschaltet ist.
Die Phasenverriegelung kann in aktive Phasenverriegelung und passive Phasenverriegelung unterteilt werden. Die passive Phasenverriegelung umfasst hauptsächlich vier Arten: Koresonanzhohlraum-Phasenverriegelung[4], Phasenkonjugation[5], Selbstorganisation[6] und evaneszente Wellenkopplung. Bei der Phasenverriegelung mit koresonantem Hohlraum werden die Ausgangsenden mehrerer Verstärkungsfasern zueinander zurückgekoppelt, was der gemeinsamen Nutzung desselben Hohlraumresonators entspricht, wodurch eine Phasenverriegelung erreicht wird. Bei der Phasenkonjugations-Phasenverriegelung, die auf Phasenkonjugationsspiegeln basiert, wird die Phase durch nichtlineare Effekte wie stimulierte Brillouin-Streuung zeitlich umgekehrt, wodurch das Phasenrauschen im Hauptverstärker kompensiert wird. Bei der selbstorganisierenden Modenkopplung werden ein Faser-Bragg-Gitter und ein Strahlteiler verwendet, um ein Michelson-Interferometer zu bilden, um eine Kopplung zwischen den Verstärkern zu erreichen und so die Phase zu synchronisieren. Die evaneszente Wellenkopplung koppelt die Mehrkanalverstärker in einen Supermodus und sorgt so für Kohärenz zwischen den Kanälen. Sie wird häufig in mehradrigen optischen Fasern eingesetzt.