Підвищення потужності та енергії волоконних лазерів в основному обмежується чотирма факторами: нелінійними ефектами, тепловими ефектами, оптичним пошкодженням і обмеженнями накачування. Тому середня потужність і вихідна енергія імпульсу з одного волокна мають обмеження. Технологія когерентного синтезу є ефективним засобом подолання цієї межі. На рисунку 1 показано основний зміст досліджень у цій галузі.
Некогерентний синтез не гарантує когерентності синтезованого пучка, а лише реалізує суперпозицію лазерів у просторі. Пристрій відносно простий, а сценарій застосування - в основному лазерна зброя. Некогерентний синтез в основному поділяється на три типи: паралельний синтез, синтез пасивного пристрою та спектральний синтез. При паралельному синтезі вихідні кінці лазера розташовані поруч, і вихідний промінь досягає більшої середньої потужності в меншій області на відстані. Синтез пасивних пристроїв синтезує кілька лазерів в один за допомогою таких пристроїв, як поляризаційні розділювачі променів і об’єднувачі променів. Спектральний синтез відноситься до синтезу кількох вузькосмугових безперервних променів в один, який здебільшого завершується об’ємними бреггівськими ґратками, дихроїчними дзеркалами, фільтрами, дифракційними призмами або призмами.
При когерентному синтезі необхідно переконатися, що кожен лазер має однакову фазу, оптичний шлях, потужність, поляризацію, діаметр променя та просторовий напрямок. На малюнку 2 представлена схематична діаграма системи когерентного синтезу, яку в основному можна розділити на чотири частини: розділювач променів/об’єднувач променів, затравка/підсилювач, фазова синхронізація та синхронізація затримки.
Когерентне об’єднання можна виміряти за чотирма параметрами: якістю променя, коефіцієнтом Штреля, ефективністю об’єднання та яскравістю. Якість променя означає подібність між комбінованим світлом і гаусовим пучком, що виражається коефіцієнтом якості променя M2. Чим ближче M2 до 1, тим вища якість променя. Коефіцієнт Штреля означає відношення пікової потужності комбінованого світла до ідеальної пікової потужності з ідеальним узгодженням фази. Це пов’язано з ситуацією фазової синхронізації та коефіцієнтом заповнення діафрагми. Коефіцієнт заповнення апертури відноситься до відношення площі апертури променя до загальної площі масиву, який об’єднується.
Чим менша фазова розбіжність, тим вищий коефіцієнт заповнення апертури, тим вищий коефіцієнт Штреля, і тим ближче когерентне поєднання до ідеального стану. Ефективність об’єднання – це відношення об’єднаної потужності світла до загальної потужності кожного каналу до об’єднання. Чим ближче співвідношення до 1, тим воно ідеальніше. Яскравість пов’язана з вихідною потужністю, довжиною хвилі та якістю променя, як показано у формулі 1, де C — коефіцієнт, пов’язаний із формою променя, а C, що відповідає гауссовому пучку, дорівнює 1. Яскравість об’єднаного променя є добутком поєднання ефективності, кількості об’єднаних каналів і яскравості одного каналу.
Залежно від типу дільника/об’єднувача променів когерентний синтез можна розділити на два типи: мозаїчна апертура та заповнена апертура. Коефіцієнт заповнення апертури синтезу плиткової апертури менше 1, що може бути досягнуто за допомогою чотирьох типів пристроїв: коліматорної матриці, мікролінзової матриці, пучка волокон і багатожильного волокна. На рисунку 3 показано результати моделювання розподілу інтенсивності світла на різних відстанях поширення при використанні коліматорної решітки для синтезу. Чим компактніше розташування коліматора, чим ближче коефіцієнт заповнення апертури до 1, тим кращий ефект синтезу, а теоретична гранична ефективність становить 76% [2]. Пристрій плиткового апертурного синтезу простіше, але ефективність синтезу нижча.
Коефіцієнт заповнення синтезу із заповненою апертурою дорівнює 1, а ефективність синтезу є відносно високою. Його можна розділити на чотири типи: поляризаційний синтез, синтез інтенсивності, синтез дифракції та синтез відбиття, як показано на малюнку 4. Поляризаційний синтез стосується використання поляризаційного розсіювача променя або тонкоплівкового поляризатора для синтезу двох ортогонально поляризованих світлових променів в один, а кількість шляхів синтезу можна збільшити за допомогою каскадної структури. Синтез інтенсивності відноситься до методу використання розділювача променя інтенсивності для синтезу двох шляхів світла з однаковою потужністю в один шлях, і інтерференція порту холостого світла досягається за допомогою синхронізації фази, і багатопроменевий синтез також може бути досягнутий через каскадна структура.
Порівняно з поляризаційним синтезом, синтез інтенсивності підходить для ситуацій із вищою середньою потужністю. Дифракційний синтез використовує дифракційні оптичні пристрої, такі як решітки та призми, для синтезу світла, що падає під кутами, що відповідають різним порядкам дифракції, в один промінь. Двоступінчасту послідовну структуру можна використовувати для розширення виміру синтезу з одного виміру до двох вимірів для досягнення синтезу N×N. Потужність дифракційного синтезу обмежена тепловими ефектами. Синтез відображення досягається через пелюсткове дзеркало. Різні ділянки пелюсткового дзеркала мають різні коефіцієнти відбиття та пропускання. Когерентний синтез досягається шляхом деструктивної інтерференції між падаючим і відбитим світлом у напрямку відбитого світла. Відбивна здатність кожної частини має певне значення. Двовимірний синтез також може бути досягнутий через вторинну структуру.
Крім того, існує гібридний синтез діафрагми на основі масивів мікролінз. Світловий промінь розділяється та синтезується за допомогою двох масивів мікролінз і лінзи. Положення синтезованого пучка можна регулювати, контролюючи фазу кожного пучка [3].
Під впливом теплових впливів і збурень навколишнього середовища кожен сигнал має певний фазовий шум, який впливає на якість синтезованого променя та ефективність синтезу. На малюнку 5 показано синтезовану світлову пляму, коли фазовий синхронізатор увімкнено та вимкнено, коли для синтезу використовується решітка коліматора. Можна побачити, що коли синхронізацію фази вимкнено, ефект синтезу дуже поганий.
Фазову синхронізацію можна класифікувати на активну фазову синхронізацію та пасивну фазову синхронізацію. Пасивна фазова синхронізація в основному включає чотири типи: синхронну фазову синхронізацію в резонансній порожнині [4], фазове спряження [5], самоорганізацію [6] і хвильовий зв'язок. Під час синхронізації фази з резонансною порожниною вихідні кінці волокон з кількома підсиленнями подаються один до одного, що еквівалентно спільному використанню однієї резонансної порожнини, завдяки чому досягається фазова синхронізація. У фазовому блокуванні фазового спряження, заснованому на дзеркалах спряження фази, фаза змінюється в часі через нелінійні ефекти, такі як вимушене розсіювання Бріллюена, таким чином компенсуючи фазовий шум в основному підсилювачі. У режимі самоорганізації блокування режиму волоконна решітка Брегга та дільник променя використовуються для формування інтерферометра Майкельсона для досягнення зв’язку між підсилювачами, таким чином блокуючи фазу. Еванесцентний хвильовий зв’язок об’єднує багатоканальні підсилювачі в суперрежим, завдяки чому досягається когерентність між каналами, і часто використовується в багатожильних оптичних волокнах.