聊一聊激光相干合成技术的奇妙之处

对多束激光进行相干合成，是实现提升激光功率的同时保持光束质量的有效技术途径。它的发展基本和激光技术的发展同步，并已经应用在几乎各种类型的激光器中。近十年来，随着可合成激光模块的性能不断提升和相干合成使能技术不断发展，各种类型的激光相干合成成果不断涌现，并发展了大量基于相干合成的大型研究计划。以光纤激光、固体激光、半导体激光为代表，成为研制相干合成系统的三种高性能单元模块。

光纤激光是目前相干合成系统采用最多的激光器类型。尤其是近十年，受益于先进制造（如飞秒激光加工）、大科学工程（如力波探测）等应用领域的驱动和激光材料制备、非线性效应调控等技术的不断突破，单元光纤激光的性能得到了显著提升，并正在朝着三个“任意”：任意功率、任意波长和任意输出模式的方向发展。

随着高性能工业级激光的推出，为构建模块化的激光阵列提供了技术基础。与此同时，相干合成技术也被应用于多种类型的光纤激光系统中，如纳秒激光/皮秒激光/飞秒激光、1.0 μm/1.5 μm/2.0 μm等，大大加速了光纤激光技术的发展。

近年来，向大阵元数目扩展是光纤激光相干合成的重要发展方向之一。法国巴黎综合理工学院、法国Thales研究所、美国Lawrence Berkeley国家实验室、美国Dayton大学、国防科技大学、中国工程物理研究院等单位都实现了数十路光纤激光的相干合成。国防科技大学实现了107路光纤激光相干合成，是目前公开报道的最高路数的光纤激光相干合成。2020年，以色列Civan公司实现了37路输出功率为16 kW的光纤激光相干合成，为光纤激光相干合成公开报道的最高功率。

在21世纪初期，以Nd:YAG板条激光为基本合成单元的固体激光相干合成是激光技术领域的研究热点，美国诺格公司先后实现2路、4路、7路Nd:YAG板条激光相干合成，并基于相干合成技术在国际上率先实现百千瓦级固体激光系统。但由于当时单元激光电光效率提升、光束质量保持等存在较大技术挑战，板条固体激光相干合成的后续报道并不多见。

近几年，研究人员通过采用光束净化、Yb:YAG介质和温度管理等方式，改善了并提高了高功率固体激光的光束质量和效率。此外，固体激光是超强激光的重要实现方式，对于高重复频率、高平均功率超强激光和低重复频率、超高峰值功率超强激光系统而言，相干合成都是重要发展方向。

此外，近十年来相位控制方法、脉冲激光相干合成等成为了关注重点。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2路板条固体激光和4路高重复频率固体激光相干合成。脉冲激光相干合成方面，2019年，中国科学院上海光学精密机械研究所首次实现了两路钛宝石啁啾脉冲激光相干合成。2021年，OSA Continum期刊报道了新的固体激光相干合成。

半导体激光具有效率高、体积紧凑、寿命长、可靠性好等优点，在通信、制造、医疗、科研等多个领域得到了广泛应用。但由于高功率半导体激光的光束质量相对较差，基于相干合成的半导体激光系统并没有实质性进展，常被用作光纤激光和固体激光的泵浦源。

近年来，随着芯片设计、材料生产和器件制备等技术的不断发展，半导体激光的性能不断提升，为半导体激光的相干合成提供了新的机遇。利用内/外腔光反馈技术，半导体激光已经可以实现高单色性的窄线宽输出；利用半导体光放大器，半导体激光可以在实现高功率输出的同时获得较好光束质量。值得注意的是，基于光谱合成的高功率半导体激光系统的亮度已经接近或者达到相同功率量级的固体激光系统。

虽然目前半导体相干合成的输出功率并没有呈现出明显的优势，但在中红外半导体激光输出功率提升等特殊领域方面表现出了巨大潜力。

除了以上几种主流激光的相干合成以外，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者极端光场的有效技术途径，目前已有来自美国、俄罗斯、法国、中国等多个国家的科研人员开展相关研究工作。

随着先进制造等领域对高功率超快激光需求的不断提升，超快激光相干合成已成为近十年来的研究热点之一。目前，飞秒脉冲光纤激光相干合成已经从传统的空域合成向相干时域合成和相干光谱合成发展。

相干时域合成可以降低激光的重复频率，提升输出激光的峰值功率，主要有脉冲分割放大（DPA）和环形腔脉冲堆叠两种技术途径。相干光谱合成是可以实现宽光谱、窄脉宽的激光输出，主要有两种技术方案：一是采用多个放大器对同一种子激光的不同谱段进行放大，再进行相干光谱合成；二是直接对多个锁模激光器进行相位锁定。

值得注意的是，近年来固体介质（如薄片）的超快激光技术也取得了迅速进展，若与相干合成技术结合，有望进一步提升系统效能。

相干合成的本质是通过各路激光的参量控制和激光阵列的孔径填充，实现激光阵列的同相位、高占空比输出，从而达到提升激光阵列亮度的目的，典型的相干合成系统结构如图1所示，对各路激光的相位、倾斜、偏振、光程和高阶像差进行控制，以及对阵列激光进行孔径填充获得高占空比，是获得良好的合成效果的关键技术。

相位对光场强度的调控作用主要表现在多路激光合成过程中。为保证高效稳定的相干合成过程，各路激光必须维持稳定的相位。然而，由于在激光产生和传输过程中难免产生相位的波动起伏，这时就需要对整套系统设计一种相位补偿技术。

根据相位控制的物理机理，可以将其分为被动相位控制和主动相位控制两类。被动相位控制无需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、倏逝波耦合法、全光纤自组织法和相位共轭法等。主动相位控制则可以通过算法设计实现对各路光束更灵活的控制。近十年来，主动相位控制的激光路数和总功率得到了有效提升，已经实现了最高百路级路数和万瓦级功率的激光阵列相位锁定。

为了使各路激光在目标处进行有效重叠，需要控制各路激光的倾斜像差。尤其是在激光远距离传输应用中，这是因为每一路激光都会受到热效应、大气湍流等因素的影响，会出现动态抖动和倾斜误差，因此为了获得较好的相干合成效果，必须进行倾斜控制。最常见的倾斜控制方法就是使用快速倾斜镜。

倾斜镜具有精度高、响应快、技术成熟等优点，但是当阵列数目较多时，系统光路将过于复杂。为了实现光纤激光阵列倾斜控制的紧凑化，具有惯性小、谐振频率高、结构紧凑等优势的自适应光纤准直器（AFOC）的技术方案被提出。该方案利用压电陶瓷驱动输出光纤，可以实现倾斜控制和激光准直的一体化设计。

为提升合成效率，一般要求各路激光的偏振方向相同。根据偏振控制施加的位置，可以将其分为末端偏振控制和前端偏振预补偿两大类。前者可以直接对输出的激光进行操作，控制直接有效，灵活度较高，但是输出功率和控制带宽均受限于偏振控制器件。

在光纤激光相干合成系统中，通常采用保偏光纤放大器进行功率放大，使激光保持较好的偏振特性，达到良好的相干合成效果。但是，保偏器件价格昂贵，保偏光纤中模式不稳定性等效应更强，功率提升更加困难。一条有效的途径就是搭建非保偏放大器，在放大器的前端利用偏振控制器进行偏振预补偿，从而实现更高功率的线偏振激光输出。采用该方法，美国Northrop Grumman公司、国防科技大学、中国工程物理研究院等单位实现了千瓦级窄线宽线偏振激光输出，并在相干合成系统中验证了该技术的可行性。

各路激光之间光程差会引起群延时效应、时域误差和非线性相移误差，降低相干合成效率。随着线宽的增加，系统对光程控制的精度要求也随之提高，通常采用动态光纤延迟线、压电陶瓷高精度空间位移器、光纤拉伸器等高精度光程控制器件，以获得理想的合成效果。图2为国防科技大学课题组设计的适用于高精度实时控制光程差的实验系统。

图2  高精度光程差实时控制系统

在高功率激光系统中，高阶模以及从波导到自由空间的元件还会引入许多高阶像差，引发光束质量的退化，因此人们还需引入高阶像差控制技术。图3为国防科技大学课题组设计的大功率离焦补偿型准直系统原理图和实验结果图。

此外，由于模体积引入的功率提升潜力，近年来也有不少产生纯净高阶模式激光的报道。以光纤激光为例，通过光栅选模等方式，百瓦级高阶模式激光也已经实现。

图3 大功率离焦补偿型准直系统

为了提高阵列光束远场光斑的能量集中度，通常还需要利用合束器提升阵列光束的占空比，其技术方案可以分为分孔径合成和共孔径合成两类。

分孔径合成通过压缩阵列光束的占空比，来减少阵列光束远场光斑中旁瓣的能量占比，主要方法有准直器直接拼接、功率合束器、空间光路拼接和微透镜阵列等。

共孔径合成的关键就是保持各路激光在近场和远场的重合度，减少合成过程中的能量损失，提升合成效率。其主要方法有M-Z干涉仪、自成像光波导、相干偏振合成和衍射光学元件（DOE）等。

近年来，准直器直接拼接、微透镜阵列、衍射光学元件和相干偏振合成等是提升路数和功率的常用方法。

相干合成后的激光系统具备着更好的光束质量、更高的功率甚至更复杂有趣的光场模式，已逐渐应用于非线性频率变换、雷达与导星、光场调控、激光通信及大科学装置等领域。

1）非线性频率变换

非线性频率变换技术是实现高功率紫外、可见光、中红外等波段激光输出的典型技术手段，相干合成技术是解决非线性频率变换系统泵浦亮度的重要技术途径。

2）雷达与导星

光纤激光具有热管理方便、结构紧凑等优势，是钠导星、激光雷达等应用领域的理想光源。但是，钠导星、相干雷达等需要激光具有较窄的线宽，由于受激布里渊散射等非线性效应的限制，单路光纤激光的功率通常难以满足应用需求。近年来，研究人员利用相干合成技术，将光纤激光的应用范围拓展到了这些领域。

3）光场调控

近年来，随着激光技术的迅速发展，振幅、相位、偏振态及相干结构等具有特殊空间分布的结构光场相继提出，这些结构光场展现出新颖的物理效应和现象，拓展了激光技术的应用。如，对光场的相位空间分布进行调控，可以产生具有螺旋波前结构、携带轨道角动量(OAM)的涡旋光束；对光场的偏振态空间分布进行调控，可以产生具有奇异聚焦特性的矢量光束；对光场的振幅和相位空间分布进行联合调控，可以产生具有无衍射传输特性和自加速、自聚焦特性的艾里光束等。

通过阵列光场调控是一种实现结构光场的重要方法，近年来取得了一系列重要进展，产生了涡旋光束、贝塞尔高斯光束、矢量光束和涡旋阵列光束等，并对大气传输特性进行了研究。

4）激光通信

激光波段频率高、波长短，具有载波频带宽、指向性好、抗电磁干扰能力强等优势，拥有广阔的应用前景。但是，也面临着大气湍流带来的深度衰减、探测效率下降等挑战，通过采用多口径接收，中国科学院光电技术研究所研制了7单元阵列激光传输控制装备（如图4），缓解了大气湍流的影响。此外，还需要配备高精度的跟瞄发射系统来实现激光发射。采用阵列光束相干合成发射是一条有效的技术途径。

图4 7单元阵列激光传输控制实验中激光发射端和回光接收端的实物照片

5）大科学装置

强激光为人类提供了前所未有的实验手段和极端物理条件，激光大科学装置成为科学技术发展的重要标志。而在大科学装置中，激光相干合成技术也受到了广泛的关注。

由诺贝尔物理学奖获得者Mourou教授领导的国际相干放大网络工程（简称ICAN），将实现对数以万计的超短脉冲进行相干合成，为下一代粒子加速器提供驱动源，如图5，将在激光推进、粒子束产生、医疗、原子能、激光雷达和空间碎片清理等领域发挥重要作用。由于经费原因，目前启动了一个由巴黎综合理工学院牵头的XCAN项目，初步完成了61路光纤激光合成的技术验证实验。

图5 相干放大网络原理图

近几年，随着可合成激光模块的性能提升和相干合成使能技术发展，激光相干合成领域取得了以12路10.4 kW超快光纤激光和107路大阵元数目光纤激光相干合成为典型代表的标志性成果。目前，在相干合成单元技术和连续光纤激光相干合成方面，国内外发展水平相当；对于超快激光、固体激光和半导体激光的相干合成，国内在系统指标方面与国外还存在一定差距。未来，相干合成技术将有以下几个发展趋势：