Puterea și creșterea energiei laserelor cu fibră sunt în principal restricționate de patru factori: efecte neliniare, efecte termice, deteriorare optică și limite de pompare. Prin urmare, puterea medie și energia impulsului de ieșire dintr-o singură fibră au limite. Tehnologia de sinteză coerentă este un mijloc eficient de a depăși această limită. Figura 1 prezintă principalul conținut al cercetării în acest domeniu.
Sinteza incoerentă nu garantează coerența fasciculului sintetizat, ci realizează doar suprapunerea laserelor în spațiu. Dispozitivul este relativ simplu, iar scenariul de aplicare este în principal arme cu laser. Sinteza incoerentă este împărțită în principal în trei tipuri: sinteza paralelă, sinteza dispozitivului pasiv și sinteza spectrală. În sinteză paralelă, capetele de ieșire laser sunt aranjate una lângă alta, iar fasciculul de ieșire atinge o putere medie mai mare într-o zonă mai mică la distanță. Sinteza dispozitivelor pasive sintetizează lasere multiple într-unul singur prin intermediul unor dispozitive, cum ar fi divizoarele de fascicul de polarizare și combinatoarele de fascicule. Sinteza spectrală se referă la sinteza mai multor lumini continue cu lățime de bandă îngustă într-una singură, care este în mare parte completată de rețele Bragg de volum, oglinzi dicroice, filtre, prisme de difracție sau prisme.
În sinteza coerentă, este necesar să se asigure că fiecare laser are aceeași fază, cale optică, putere, polarizare, diametru al fasciculului și direcție spațială. Figura 2 este o diagramă schematică a sistemului de sinteză coerent, care poate fi împărțită în principal în patru părți: separator de fascicule/combinator de fascicule, semințe/amplificator, blocare de fază și blocare cu întârziere.
Combinarea coerentă poate fi măsurată prin patru parametri: calitatea fasciculului, raportul Strehl, combinarea eficienței și luminozității. Calitatea fasciculului se referă la asemănarea dintre lumina combinată și fasciculul gaussian, care este exprimată prin factorul de calitate a fasciculului M2. Cu cât M2 este mai aproape de 1, cu atât calitatea fasciculului este mai mare. Raportul Strehl se referă la raportul dintre puterea de vârf a luminii combinate și puterea de vârf ideală cu potrivirea perfectă a fazelor. Este legat de situația de blocare a fazei și de factorul de umplere a deschiderii. Factorul de umplere a deschiderii se referă la raportul dintre aria deschiderii fasciculului și aria totală a matricei care trebuie combinată.
Cu cât nepotrivirea de fază este mai mică, cu atât factorul de umplere a deschiderii este mai mare, cu atât raportul Strehl este mai mare și combinarea coerentă este mai aproape de starea ideală. Eficiența combinării este raportul dintre puterea luminii combinată și puterea totală a fiecărui canal înainte de combinare. Cu cât raportul este mai aproape de 1, cu atât este mai ideal. Luminozitatea este legată de puterea de ieșire, lungimea de undă și calitatea fasciculului, așa cum se arată în formula 1, unde C este un coeficient legat de forma fasciculului, iar C corespunzător fasciculului gaussian este 1. Luminozitatea fasciculului combinat este produsul combinând eficiența, numărul de canale combinate și luminozitatea unui singur canal.
Pe baza tipului de divizor/combinator al fasciculului, sinteza coerentă poate fi împărțită în două tipuri: deschidere cu plăci și deschidere umplută. Factorul de umplere a diafragmei al sintezei diafragmei este mai mic de 1, ceea ce poate fi atins prin intermediul a patru tipuri de dispozitive: matrice de colimator, matrice de microlens, fascicul de fibre și fibră multi-core. Figura 3 arată rezultatele simulării distribuției intensității luminii la diferite distanțe de propagare atunci când se utilizează matricea colimatoare pentru sinteză. Cu cât aranjamentul colimatorului este mai compact, cu atât factorul de umplere a deschiderii este mai aproape de 1, cu atât efectul de sinteză este mai bun, iar eficiența limită teoretică este de 76% [2]. Dispozitivul de sinteză cu deschidere în plăci este mai simplu, dar eficiența sintezei este mai mică.
Factorul de umplere al sintezei cu deschidere umplută este 1, iar eficiența sintezei este relativ mare. Poate fi împărțit în patru tipuri: sinteza polarizării, sinteza intensității, sinteza difracției și sinteza reflexiei, așa cum se arată în Figura 4. Sinteza polarizării se referă la utilizarea unui separator de fascicul de polarizare sau a unui polarizator cu peliculă subțire pentru a sintetiza două fascicule de lumină polarizate ortogonal. într-una, iar numărul de căi de sinteză poate fi mărit printr-o structură în cascadă. Sinteza intensității se referă la metoda de utilizare a unui divizor de intensitate a fasciculului pentru a sintetiza două căi de lumină cu aceeași putere într-o singură cale, iar interferența portului de lumină inactiv este realizată prin blocarea fazei, iar sinteza cu mai multe căi poate fi realizată și prin o structură în cascadă.
În comparație cu sinteza de polarizare, sinteza de intensitate este potrivită pentru ocazii cu putere medie mai mare. Sinteza de difracție folosește dispozitive optice de difracție, cum ar fi rețele și prisme, pentru a sintetiza lumina incidentă la unghiuri corespunzătoare diferitelor ordine de difracție într-un singur fascicul. O structură în serie în două etape poate fi utilizată pentru a extinde dimensiunea sintezei de la o dimensiune la două dimensiuni pentru a realiza sinteza N×N. Puterea de sinteză a difracției este limitată de efectele termice. Sinteza reflexiei se realizează printr-o oglindă petală. Diferite zone ale oglinzii petale au reflectivitati și transmisii diferite. Sinteza coerentă se realizează prin interferența distructivă între lumina incidentă și lumina reflectată în direcția luminii reflectate. Reflexivitatea fiecărei părți are o valoare specifică. Sinteza bidimensională poate fi realizată și printr-o structură secundară.
În plus, există o sinteză hibridă a deschiderii bazată pe rețele de microlens. Fasciculul de lumină este divizat și sintetizat prin două rețele de microlens și o lentilă. Poziția fasciculului sintetizat poate fi reglată prin controlul fazei fiecărui fascicul [3].
Sub influența efectelor termice și a perturbărilor de mediu, fiecare semnal are un anumit zgomot de fază, care afectează calitatea fasciculului sintetizat și eficiența sintezei. Figura 5 arată punctul de lumină sintetizat atunci când blocarea de fază este activată și dezactivată atunci când matricea colimatorului este utilizată pentru sinteză. Se poate observa că atunci când blocarea de fază este dezactivată, efectul de sinteză este foarte slab.
Blocarea fază poate fi clasificată în blocare fază activă și blocare fază pasivă. Blocarea de fază pasivă include în principal patru tipuri: blocarea de fază a cavității corezonante[4], conjugarea de fază[5], auto-organizarea[6] și cuplarea undelor evanescente. În blocarea de fază a cavității corezonante, capetele de ieșire ale fibrelor cu câștig multiplu sunt reintroduse unele la altele, ceea ce este echivalent cu împărțirea aceleiași cavități rezonante, realizând astfel blocarea fazei. În blocarea fazei de conjugare a fazelor, bazată pe oglinzile de conjugare a fazelor, faza este inversată în timp prin efecte neliniare, cum ar fi împrăștierea Brillouin stimulată, compensând astfel zgomotul de fază din amplificatorul principal. În modul de blocare cu auto-organizare, un grătar Bragg de fibre și un separator de fascicul sunt folosite pentru a forma un interferometru Michelson pentru a realiza cuplarea între amplificatoare, blocând astfel faza. Cuplarea undelor evanescente cuplează amplificatoarele cu mai multe canale într-un mod super, realizând astfel coerența între canale și este adesea folosită în fibrele optice cu mai multe nuclee.