高功率激光器在科學(xué)和工業(yè)上有許多應(yīng)用，但進(jìn)一步提高激光平均功率有諸多限制因素，比如非線性效應(yīng)或拉曼散射等，都會(huì)阻礙激光平均功率的進(jìn)一步提高。相干合成技術(shù)(CBC)是激光平均功率和脈沖能量進(jìn)一步提高最有前景的方法。其基本原理如圖一所示，簡(jiǎn)單來(lái)講，相干合成技術(shù)可以看作是一個(gè)帶有多個(gè)并行放大器的干涉儀。在系統(tǒng)中種子源的激光被分成多束并送入干涉儀的不同光學(xué)臂，在每個(gè)臂中，都有一個(gè)放大器，這樣分開的激光就被放大最終再組合成單個(gè)輸出光束。

圖1：相干合成系統(tǒng)的基本原理

對(duì)超快激光來(lái)說(shuō)，一些微小的擾動(dòng)會(huì)使得脈沖之間產(chǎn)生相位差，從而大大降低合成效率，所以需要主動(dòng)補(bǔ)償相位差的技術(shù)，比如直接檢測(cè)技術(shù)可以使用HC探測(cè)器，間接檢測(cè)技術(shù)包括單探測(cè)器電子頻率標(biāo)記技術(shù)(LOCSET)和隨機(jī)平行梯度下降技術(shù)(SPGD)等，補(bǔ)償可以利用安裝在壓電陶瓷上的反射鏡，光纖拉伸器或空間光調(diào)制實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)有的相干合成方法主要有兩大類，分別是平鋪孔徑和填充孔徑，幾何結(jié)構(gòu)如圖2所示。對(duì)于平鋪孔徑法，光束并排排列在近場(chǎng)區(qū)域，在遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)組合，但是該結(jié)構(gòu)理論組合效率最高只能達(dá)到76%。在填充孔徑系統(tǒng)中，光束通過(guò)組合元件(如部分反射鏡、偏振相關(guān)分束器或分段光束反射鏡)在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)都可以實(shí)現(xiàn)相干合成，因此可以有90%以上的合成效率。

圖2：相干合成方法 （a）平鋪孔徑 （b）填充孔徑 （c）混合孔徑

2020年，Alexander Killi課題組提出了一種新的合成方式，他們稱之為混合結(jié)構(gòu)，如圖2（c）所示。合成元件是用一對(duì)微透鏡陣列(MLAs)以及一個(gè)傅里葉透鏡組成。提出的新概念結(jié)合了平鋪和填充孔徑方法的優(yōu)點(diǎn)。這種方法可以像平鋪孔徑相干合成一樣，可以多路同時(shí)合成，同時(shí)又可以像填充孔徑一樣，合成效率上限大大提高到90%以上。

具有空間相干性的光束經(jīng)過(guò)微透鏡陣列系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生分立衍射級(jí)，經(jīng)過(guò)微透鏡陣列和傅里葉透鏡后就可以產(chǎn)生能量相等的激光光束。通過(guò)將該裝置反向使用就可以用于光束的相干合成，其主要原理如圖3所示。

圖3：MLAs作為分束和合成單元的光路示意圖(頂部)和光束路在x-z方向的強(qiáng)度

微透鏡陣列(MLAs)的特征是截距a和曲率半徑(ROC)，兩者可以定義微透鏡陣列的有效焦距。入射光束入射第一個(gè)微透鏡陣列，并被分裂成一系列的光束，陣列之間的距離接近其焦距。第二個(gè)MLA與傅里葉透鏡組合成一個(gè)物鏡陣列，將第一個(gè)MLA產(chǎn)生的像疊加在傅里葉透鏡的焦平面上，得到均勻的光強(qiáng)輪廓。簡(jiǎn)而言之，透鏡光瞳引起衍射，陣列的周期性造成干涉導(dǎo)致的結(jié)果。

文章進(jìn)行了一維及二維的原理證明性實(shí)驗(yàn)，對(duì)中心波長(zhǎng)1030nm，帶寬10nm的光源先經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)準(zhǔn)直，并用半波片選擇適合于空間光調(diào)制器的偏振方向。二維實(shí)驗(yàn)裝置以及各部分光斑圖樣如圖4所示。對(duì)于一維實(shí)驗(yàn)，高斯光束經(jīng)過(guò)微透鏡組系統(tǒng)均勻分為5束，通過(guò)使用空間光調(diào)制器控制光束相位，并用相同系統(tǒng)進(jìn)行合束。整個(gè)過(guò)程分束效率高達(dá)98％，合成效率為91％，接近模擬獲得的合成效率最大值93％。對(duì)于2維實(shí)驗(yàn)，高斯光束經(jīng)過(guò)微透鏡組系統(tǒng)均勻分為5×5的陣列，光束相位控制機(jī)制與一維相同。整個(gè)過(guò)程分束效率高達(dá)96％，合成效率為90％，接近模擬獲得的合成效率最大值93％。由于微透鏡陣列工藝問題，不能保證每個(gè)微透鏡的焦距完全一樣，所以對(duì)合成效率有一定的負(fù)面影響。對(duì)于使用多個(gè)放大器的系統(tǒng)還需要增加主動(dòng)相位控制的器件，來(lái)保證較高的合成效率。

圖4：二維實(shí)驗(yàn)裝置以及各部分光斑圖樣

除此之外，還可以通過(guò)控制各光束的絕對(duì)相位來(lái)進(jìn)行光束整形，或者可以在不同階次的位置進(jìn)行合束實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描的效果. 該方法成功實(shí)現(xiàn)了一種新穎、緊湊和簡(jiǎn)單的裝置用于光束的相干合成之中，并且可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描和光束整形，對(duì)于簡(jiǎn)化合成裝置、提高激光的平均功率具有很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)意義。

參考文獻(xiàn)：

1. Prossotowicz, Maike, et al. "Coherent beam combining with micro-lens arrays." Optics Letters 45.24 (2020): 6728-6731.

2. Prossotowicz, Maike, et al. "Dynamic coherent bea