De kracht- en energieverbetering van fiberlasers wordt hoofdzakelijk beperkt door vier factoren: niet-lineaire effecten, thermische effecten, optische schade en pomplimieten. Daarom hebben het gemiddelde vermogen en de pulsenergie-output van een enkele vezel grenzen. Coherente synthesetechnologie is een effectief middel om deze grens te doorbreken. Figuur 1 toont de belangrijkste onderzoeksinhoud op dit gebied.
Incoherente synthese garandeert niet de coherentie van de gesynthetiseerde bundel, maar realiseert alleen de superpositie van lasers in de ruimte. Het apparaat is relatief eenvoudig en het toepassingsscenario bestaat voornamelijk uit laserwapens. Incoherente synthese is hoofdzakelijk verdeeld in drie typen: parallelle synthese, passieve apparaatsynthese en spectrale synthese. Bij parallelle synthese zijn de laseruitgangseinden naast elkaar gerangschikt en bereikt de uitgangsbundel een groter gemiddeld vermogen in een kleiner gebied op afstand. Passieve apparaatsynthese synthetiseert meerdere lasers tot één door middel van apparaten zoals polarisatiebundelsplitters en bundelcombineerders. Spectrale synthese verwijst naar de synthese van meerdere continue licht met een smalle bandbreedte in één, die meestal wordt voltooid door volume-Bragg-roosters, dichroïsche spiegels, filters, diffractieprisma's of prisma's.
Bij coherente synthese is het noodzakelijk ervoor te zorgen dat elke laser dezelfde fase, hetzelfde optische pad, vermogen, polarisatie, straaldiameter en ruimtelijke richting heeft. Figuur 2 is een schematisch diagram van het coherente synthesesysteem, dat hoofdzakelijk in vier delen kan worden verdeeld: bundelsplitser/bundelcombinator, zaad/versterker, fasevergrendeling en vertragingsvergrendeling.
Coherente combinatie kan worden gemeten aan de hand van vier parameters: straalkwaliteit, Strehl-verhouding, combinatie-efficiëntie en helderheid. Bundelkwaliteit verwijst naar de gelijkenis tussen het gecombineerde licht en de Gauss-bundel, die wordt uitgedrukt door de bundelkwaliteitsfactor M2. Hoe dichter M2 bij 1 ligt, hoe hoger de straalkwaliteit. De Strehl-ratio verwijst naar de verhouding tussen het piekvermogen van het gecombineerde licht en het ideale piekvermogen met perfecte faseafstemming. Het houdt verband met de fasevergrendelingssituatie en de diafragmavulfactor. De openingsvulfactor verwijst naar de verhouding tussen het straalopeningsoppervlak en het totale oppervlak van de te combineren array.
Hoe kleiner de fasemismatch, hoe hoger de diafragmavulfactor, hoe hoger de Strehl-ratio en hoe dichter de coherente combinatie bij de ideale toestand ligt. De combinatie-efficiëntie is de verhouding tussen het gecombineerde lichtvermogen en het totale vermogen van elk kanaal vóór het combineren. Hoe dichter de verhouding bij 1 ligt, hoe idealer deze is. Helderheid houdt verband met het uitgangsvermogen, de golflengte en de kwaliteit van de straal, zoals weergegeven in formule 1, waarbij C een coëfficiënt is die verband houdt met de vorm van de straal, en C die overeenkomt met de Gauss-straal is 1. De helderheid van de gecombineerde straal is het product van de waarbij efficiëntie, het aantal gecombineerde kanalen en de helderheid van een enkel kanaal worden gecombineerd.
Op basis van het type bundelsplitser/combinator kan coherente synthese in twee typen worden verdeeld: betegelde opening en gevulde opening. De diafragmavulfactor van betegelde apertuursynthese is minder dan 1, wat kan worden bereikt door middel van vier soorten apparaten: collimatorarray, microlensarray, vezelbundel en meerkernige vezels. Figuur 3 toont de simulatieresultaten van de lichtintensiteitsverdeling op verschillende voortplantingsafstanden bij gebruik van collimatorarray voor synthese. Hoe compacter de collimatoropstelling, hoe dichter de vulfactor van de opening bij 1 ligt, hoe beter het synthese-effect, en de theoretische limietefficiëntie is 76% [2]. Het apparaat van betegelde apertuursynthese is eenvoudiger, maar de synthese-efficiëntie is lager.
De vulfactor van de synthese met gevulde opening is 1 en de synthese-efficiëntie is relatief hoog. Het kan worden onderverdeeld in vier typen: polarisatiesynthese, intensiteitssynthese, diffractiesynthese en reflectiesynthese, zoals weergegeven in figuur 4. Polarisatiesynthese verwijst naar het gebruik van een polarisatiebundelsplitser of een dunne filmpolarisator om twee orthogonaal gepolariseerde lichtbundels te synthetiseren. tot één, en het aantal synthesepaden kan worden vergroot via een cascadestructuur. Intensiteitssynthese verwijst naar de methode waarbij een intensiteitsbundelsplitser wordt gebruikt om twee lichtpaden met hetzelfde vermogen in één pad te synthetiseren, en de interferentie van de inactieve lichtpoort wordt bereikt door fasevergrendeling, en multi-padsynthese kan ook worden bereikt door een cascadestructuur.
Vergeleken met polarisatiesynthese is intensiteitssynthese geschikt voor gelegenheden met een hoger gemiddeld vermogen. Diffractiesynthese maakt gebruik van optische diffractieapparaten, zoals roosters en prisma's, om licht dat invalt onder hoeken die overeenkomen met verschillende diffractieorden in één straal te synthetiseren. Een tweetraps seriestructuur kan worden gebruikt om de synthesedimensie uit te breiden van één dimensie naar twee dimensies om N×N-synthese te bereiken. De kracht van diffractiesynthese wordt beperkt door thermische effecten. Reflectiesynthese wordt bereikt via een bloembladspiegel. Verschillende delen van de bloembladspiegel hebben verschillende reflectiviteiten en transmissies. Coherente synthese wordt bereikt door destructieve interferentie tussen het invallende licht en het gereflecteerde licht in de richting van het gereflecteerde licht. De reflectiviteit van elk onderdeel heeft een specifieke waarde. Tweedimensionale synthese kan ook worden bereikt via een secundaire structuur.
Daarnaast is er hybride diafragmasynthese op basis van microlensarrays. De lichtbundel wordt gesplitst en gesynthetiseerd via twee microlensarrays en een lens. De positie van de gesynthetiseerde straal kan worden aangepast door de fase van elke straal te regelen [3].
Onder invloed van thermische effecten en omgevingsstoringen heeft elk signaal een bepaalde faseruis, die de kwaliteit van de gesynthetiseerde bundel en de synthese-efficiëntie beïnvloedt. Figuur 5 toont de gesynthetiseerde lichtvlek wanneer de fasevergrendeling wordt in- en uitgeschakeld wanneer de collimatorarray wordt gebruikt voor synthese. Het is te zien dat wanneer de fasevergrendeling is uitgeschakeld, het synthese-effect zeer slecht is.
Fasevergrendeling kan worden geclassificeerd in actieve fasevergrendeling en passieve fasevergrendeling. Passieve fasevergrendeling omvat hoofdzakelijk vier typen: fasevergrendeling met co-resonante holte[4], faseconjugatie[5], zelforganisatie[6] en vluchtige golfkoppeling. Bij fasevergrendeling met co-resonante holte worden de uitgangseinden van vezels met meerdere versterkingsfactoren naar elkaar teruggekoppeld, wat equivalent is aan het delen van dezelfde resonante holte, waardoor fasevergrendeling wordt bereikt. Bij faseconjugatie-fasevergrendeling, gebaseerd op faseconjugatiespiegels, wordt de fase in de tijd omgekeerd door niet-lineaire effecten zoals gestimuleerde Brillouin-verstrooiing, waardoor de faseruis in de hoofdversterker wordt gecompenseerd. Bij zelforganiserende vergrendeling worden een Bragg-vezelrooster en een bundelsplitser gebruikt om een Michelson-interferometer te vormen om koppeling tussen de versterkers te bewerkstelligen, waardoor de fase wordt vergrendeld. Evanescente golfkoppeling koppelt de meerkanaalsversterkers in een supermodus, waardoor coherentie tussen de kanalen wordt bereikt, en wordt vaak gebruikt in meerkernige optische vezels.