光纤激光器的光束合成方法

单根光纤的光纤激光器受限于非线性效应、热效应和光学损伤等因素，输出功率会受到限制。为了获得更高的输出功率，通常通过光束合成的方式实现。

光纤激光器的光束合成方法有相干合成与非相干合成两类。本文简要介绍非相干功率合成、光谱合成、相干合成三种方法及其优缺点，其中光谱合成也属于非相干合成。

1.非相干功率合成

非相干功率合成是最简单的合成方式，通过将多个光纤激光器的光束在空间叠加在一起实现总功率的提高。这种方法虽然结构简单，容易获得高功率光束，但光束质量差，且无法提高合成光束的亮度。

IPG公司的50kw多模光纤激光器就是将多个较低功率的光纤激光器输出的光束平行耦合进大芯径的多模光纤中实现的高功率单一光束输出。其光束质量因子M2=33，可见合成后的光束质量明显较差。

非相干功率合成不需要锁相，对各激光器的带宽也没有要求，非常适合采用商用的单模光纤激光器直接进行合成。如IPG公司生产的10kw单模光纤激光器（光谱带宽10-15nm）就非常容易通过非相干功率合成定标到需要的高功率激光器。德国就使用4个10kw IPG光纤激光器合成了40kw的激光武器样机。

雷神公司为美国海军研制的激光武器系统LaWS就是采用了6个IPG公司的5.5kw标准单模激光器合成的33kw高功率激光，光束质量M2=17。

2.光谱合成

光谱合成也叫波长合成，属于非相干合成。它是将多个波长稍有不同的激光光束通过色散元件使其在近场或远场实现空间叠加，从而提高总输出功率。但与功率合成不同，光谱合成可以获得较高的光束质量。

光谱合成对参与合成的各激光器特性有要求。一是要求各激光器波长十分接近。二是各激光器带宽要很窄。因为大的带宽会使光束质量下降。因此，普通的商业用单模激光器一般无法满足要求。

色散元件是光谱合成的关键。一般选择具有高衍射效率的光栅。但系统对光栅的要求较高。一方面一般光栅损耗较大，另一方面，高功率输出下光栅会因为热效应而变形，从而降低合成效率。

洛马公司为美国陆军研制的包括HEL MD在内的多个激光武器演技都采用了光谱合成技术，光束质量接近衍射极限，光束合成效率超过90%。

3.相干合成

相干合成是将多个波长完全相同的激光束，通过相位控制使各光束的振幅同相位叠加，从而实现高功率、高光束质量和高亮度的单一激光束。它的优势是不仅提高了输出功率，还提高了光束亮度。同时，还能通过相位调整实现光束定向控制和大气补偿。

理论上，相干合成是能产生最佳性能光束的合成方法，但缺点是系统结构复杂，技术实现难度大。

相干合成对参与合成的各光束特性也有要求。需要各光束具有完全相同的波长、精确控制的相位、较窄的线宽和均匀的偏振特性。这显然比光谱合成的要求有提高了很多。下图是相干合成的原理图。

4.总结

本文介绍了非相干功率合成、光谱合成、相干合成三种光线激光器光束合成方法。每种方法各有优劣，适用于不同的应用场景。其中，相干合成方法目前仍然是学术研究热点之一。另外，光学相控阵等方法也被探索用于光束合成、光束控制，也是长期以来的研究热点。