激光行业又一个重要技术解密！激光相干合成技术第一讲

多个激光束的一致组合是提高激光功率同时保持光束质量的有效技术途径。它的发展很大程度上与激光技术的发展同步，适用于几乎所有类型的激光器。近十年来，随着合成激光模块特性的不断提高和相干合成技术的不断发展，各类激光相干合成成果不断涌现，大量基于相干合成的大型研究项目相继涌现。以光纤激光器、固态激光器和半导体激光器为代表，已成为相干聚变系统发展的三大高性能模块。

光纤激光器是目前相干合成系统中使用最广泛的激光器类型。尤其是近十年来，得益于先进制造（如飞秒激光加工）、重大科学发展（如力波检测）等应用的进步，以及激光材料制备、控制非- 线性效果和其他技术。 ，光纤激光器单元的性能显着提升到三个“一切”：任意功率、任意波长、任意输出模式。

随着高功率工业级激光器的出现，它为构建模块化激光器阵列提供了技术基础。同时，相干融合技术也被应用于各种光纤激光系统，如：B.纳秒激光/皮秒激光/飞秒激光、1.0μm/1.5μm/2.0μm等，大大加快了光纤激光技术的发展。

近年来，相干光纤激光合成发展的重要方向之一是向大晶格元素的延伸。巴黎综合理工大学、法国泰雷兹学院、美国劳伦斯伯克利国家实验室、美国代顿大学、国防科技大学和中国工程物理研究院等进行了协同合成几十个光纤激光器。国防科技大学已完成107个相干光纤激光合成通道，是迄今为止发布的最多的相干光纤激光合成通道。 2020年，以色列Civan公司合成了37台相干光纤激光器，输出功率为16千瓦，是相干光纤激光器合成中公布的最高功率。

21世纪初，以Nd:YAG平板激光器为主要合成单元的相干固态激光熔化代表了激光技术的一个研究方向。相干 7 通道 Nd：YAG 激光器：这是世界上第一个基于相干聚变技术的 100 千瓦固态激光系统。然而，由于当时与提高单个激光器的电光效率和保持光束质量相关的重大技术挑战，随后关于半激光激光板导体相干合成的报道很少。

近年来，研究人员通过使用光束清洁、Yb:YAG矢量和温度控制等方法，改进和提高了大功率半导体激光器的光束质量和效率。此外，半导体激光器是超强激光的重要实现，相干熔化是高频高频激光器和超强低重复激光器的重要发展方向。超强峰值功率激光系统。

此外，在过去十年中，相位控制方法和脉冲激光的相干合成已成为关注的中心。在相位控制方法方面，中国工程物理研究院和韩国科学技术研究院的研究人员实现了两通道板状半导体激光器和四通道高频半导体的相干合成。在脉冲激光的相干合成方面，中科院上海光学精密机械研究所于2019年首次实现了啁啾双通道钛蓝宝石脉冲激光器的相干合成。 2021年马

半导体激光器具有效率高、体积小、寿命长、可靠性好等优点，广泛应用于通信、制造、医药、科研等领域。然而，由于大功率半导体激光器的光束质量相对较差，基于相干合成的半导体激光器系统并没有取得显着的成功，被广泛用作激光器、光纤激光器和固态激光器的泵浦源。

近年来，随着芯片设计、材料制造和器件制造等技术的不断发展，半导体激光器的性能不断提高，为相干激光合成半导体开辟了新的机遇。半导体激光器采用内/外腔光反馈技术，可实现窄线宽、高单色性的输出；通过使用固态光放大器，固态激光器可以实现高输出功率，从而获得更好的光束质量。需要说明的是，基于光谱合成的大功率半导体激光系统的亮度已经接近或达到固态激光系统的性能水平。

虽然目前相干半导体聚变的功率输出没有明显优势，但在提高半导体激光器在中红外的功率输出等特定领域已经显示出巨大的潜力。

除上述常规激光相干合成外，还有变频激光相干合成和超快激光相干合成。变频激光相干合成是获得特殊波长或极端光场的有效技术手段。目前，来自美国、俄罗斯、法国、中国等国家的研究人员正在进行相关研究。

由于先进制造等领域对高功率超快激光器的需求不断增长，超快相干激光合成成为近十年来的研究重点之一。目前，飞秒脉冲光纤激光器的相干合成已经从传统的空域合成发展到时域相干合成和光谱相干合成。

时域相干合成可以降低激光器的重复频率，提高激光器的最大输出功率。有两种主要的技术方法：脉冲分割放大 (DPA) 和环形谐振器脉冲求和。相干光谱合成是一种激光输出信号，可让您实现宽光谱和小脉冲宽度。技术方案主要有两种：一是利用多个放大器对同一激光颗粒的不同光谱范围进行放大，然后进行相干光谱合成；多模阻挡激光器是锁相的。

需要指出的是，用于固体介质（如薄膜）的超快激光技术近年来也取得了长足的进步，与相干聚变技术相结合，应能进一步提高系统性能。

增强相干混合效果的关键技术

相干合成的本质是通过控制每个激光器的参数和填充激光器阵列的孔径来实现与激光器阵列相同的相位和占空比，以达到提高激光器阵列亮度的目的。相干热核系统的典型结构如图 1 所示。如图所示，控制每个激光器的相位、倾斜、偏振、光路和高阶像差，以及在矩阵处填充激光孔径以实现高占空比，是实现良好熔炼效果的关键技术。

1) 相位控制方式

相位控制对光场强度的影响主要表现在多路激光合成过程中。为了确保一致、高效和稳定的熔化过程，每个激光器都必须保持稳定的相位。然而，由于激光产生和传输过程中不可避免的相位波动，需要开发整个系统的相位补偿技术。

根据相位控制的物理机理，可分为被动相位控制和主动相位控制。无源相位控制不需要复杂的相位控制系统，结构相对简单。被动锁相方法主要有外腔法、阻尼波耦合法、全光纤自组装法、相位共轭法等。通过开发一种算法，主动相位控制可以对每条路径提供更灵活的控制。在过去的十年中，激光路径的数量和有源相位调节的整体性能实际上得到了提高，并生产出了路径数量最多、功率为 10,000W 的锁相激光阵列。

2）倾斜控制技术

为了有效地将激光束叠加到目标上，必须控制激光束的倾斜像差。尤其是在长距离传输激光时，这是由于每个激光都受到热效应、大气湍流等因素的影响，导致动态抖动和倾斜误差。因此，要达到最佳的均匀混合效果，必须完成斜率控制。最常见的倾斜控制方法是使用快速倾斜镜。

旋转镜具有精度高、响应速度快、技术成熟等优点，但当分划板数量较多时，系统的光路变得过于复杂。为了实现光纤激光器阵列倾斜控制的紧凑性，提出了一种自适应光纤准直器（AFOC）设计，该设计具有惯性小、谐振频率高、设计紧凑等优点。该电路使用压电陶瓷来驱动输出光纤，从而实现集成的激光倾斜和瞄准控制设计。