對多束激光進(jìn)行相干合成是實(shí)現(xiàn)激光功率提升的同時(shí)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(shí)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(xué)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(dòng)著激光相干合成技術(shù)邁上一個(gè)又一個(gè)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(gè)單獨(dú)的激光器，若要系統(tǒng)總體發(fā)揮出最佳能力，那么每一個(gè)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(diǎn)。近年來，在廣泛的理論探索和工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，以光纖激光、固體激光、半導(dǎo)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(jì)初實(shí)現(xiàn)了百千瓦級輸出功率。

　　然而，在一段時(shí)期內(nèi)，板條固體激光器難以同時(shí)實(shí)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(shí)現(xiàn)方式。無論是高重復(fù)頻率高平均功率激光系統(tǒng)，還是低重復(fù)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。在先進(jìn)制造、大科學(xué)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(diǎn)，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(diǎn)使其具備大陣元數(shù)目合成的潛力，國防科技大學(xué)在2020年實(shí)現(xiàn)了107路光纖激光相干合成，這是目前公開報(bào)道的光纖激光相干合成最高路數(shù)。

　　圖1 國防科技大學(xué)課題組研制的107路光纖激光相干合成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)效果

　　半導(dǎo)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(dǎo)體激光的光束質(zhì)量相對較差。

　　近年來，隨著芯片設(shè)計(jì)、材料生產(chǎn)和器件制備等技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體激光的性能不斷提升。利用內(nèi)/外腔光反饋技術(shù)，半導(dǎo)體激光已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)高單色性的窄線寬輸出;利用半導(dǎo)體光放大器，半導(dǎo)體激光可以在實(shí)現(xiàn)高功率輸出的同時(shí)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(dǎo)體激光系統(tǒng)的亮度已經(jīng)接近甚至達(dá)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(shí)現(xiàn)激光陣列的同相位、高占空比輸出，從而達(dá)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(jìn)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(dāng)多路激光合成時(shí)，相位則對光場強(qiáng)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(dòng)起伏，這時(shí)就需要對整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種相位補(bǔ)償技術(shù)。

　　根據(jù)相位控制的物理機(jī)理，通常可以將其分為被動(dòng)相位控制和主動(dòng)相位控制兩大類：前者是一種被動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，結(jié)構(gòu)簡單，無需復(fù)雜的控制系統(tǒng);而后者則可以通過算法設(shè)計(jì)實(shí)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(huì)受到熱效應(yīng)、大氣湍流等因素的影響，在目標(biāo)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(hào)，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(dāng)陣列數(shù)目較多時(shí)，系統(tǒng)光路將過于復(fù)雜。

　　為了實(shí)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(zhǔn)直器(AFOC)的技術(shù)方案。該方案利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)輸出光纖，可以實(shí)現(xiàn)傾斜控制和激光準(zhǔn)直的一體化設(shè)計(jì)。

　　(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(jìn)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(jìn)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(jìn)行靜態(tài)的偏振調(diào)節(jié)，從而達(dá)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(jìn)行偏振預(yù)補(bǔ)償，從而實(shí)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(xué)參量的控制以外，各路激光之間的光程差會(huì)引起群延時(shí)效應(yīng)、時(shí)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(dǎo)到自由空間的元件還會(huì)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(shí)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(xué)利用空間光路調(diào)節(jié)、被動(dòng)光纖熔接、光學(xué)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(shí)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(xué)課題組設(shè)計(jì)的適用于高精度實(shí)時(shí)控制光程差的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

　　(5)孔徑填充

　　最后，為了提高陣列光束遠(yuǎn)場光斑的能量集中度，減少陣列光束遠(yuǎn)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(shí)，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(shí)域合成、相干光譜合成技術(shù)實(shí)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(shí)現(xiàn)了變頻激光的相干合成，為特殊波長激光或者光場研究提供了有效的技術(shù)途徑。

　　圖3 德國Jena大學(xué)課題組實(shí)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(fù)雜有趣的光場模式，已逐漸應(yīng)用于非線性頻率變換、雷達(dá)與導(dǎo)星、光場調(diào)控、激光通信及大科學(xué)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(xué)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(shí)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(jìn)的技術(shù)指標(biāo)。

　　在鈉導(dǎo)星、激光雷達(dá)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(tái)對3路1178 nm的單頻拉曼放大器進(jìn)行相干合成后再進(jìn)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(dǎo)星。

　　2013年，美國羅徹斯特大學(xué)成功將相干合成技術(shù)運(yùn)用到多通道光纖慢光雷達(dá)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(hào)的多孔徑接收以及對信號(hào)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(jìn)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(dòng)量的渦旋光束;對光場的偏振態(tài)空間分布進(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　值得一提的是，在促進(jìn)基礎(chǔ)物理發(fā)展的大科學(xué)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(jì)的超短脈沖進(jìn)行相干合成，產(chǎn)生一個(gè)峰值功率的超級光源，這將成為下一代粒子加速器的驅(qū)動(dòng)源。

　　該光源在激光推進(jìn)、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(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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