高功率、高光束質(zhì)量一直是固態(tài)激光器追求的目標(biāo)，隨著高端工業(yè)應(yīng)用、特別是潛在的軍事應(yīng)用等需求的牽引，高功率、高光束質(zhì)量的全固態(tài)激光器技術(shù)發(fā)展方興未艾。光纖激光器具備轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、熱管理簡單、使用靈活等一系列優(yōu)點，逐漸成為高功率全固態(tài)激光器技術(shù)研究的熱點。光纖激光器由于熱效應(yīng)、非線性效應(yīng)、光纖損傷、泵浦耦合、模場直徑等因素的限制，單纖單模的激光輸出被限制在了萬瓦量級，若要獲得更高功率水平，則需要采用多單元光束合束方式實現(xiàn)，目前發(fā)展較快的主要有相干合束( coherently combining) 和光譜合束( SBC spectral beam combining)。相干合束理論上可以無限合成功率，但由于單元光束空間分離( 填充因子) 的緣故，光束質(zhì)量無法達(dá)到衍射極限，且對單元光束的相位穩(wěn)定度和控制精度要求極高，工程上實現(xiàn)難度較大； 光譜合束一般只能在增益介質(zhì)的增益帶寬內(nèi)有限合成功率，但設(shè)計相對簡單，對單元光束穩(wěn)定性和控制要求較低，同時又能實現(xiàn)衍射極限的光束質(zhì)量，目前是光纖激光器實現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量激光輸出的較好選擇。

　　2 光譜合束技術(shù)的原理

　　目前，光譜合束技術(shù)主要基于兩類色散元件，一種是體布拉格光柵( volume Bragg grating，VBG) ，一種是多層介質(zhì)膜光柵( multilayer dielectric grating，MLDG) 。

　　體布拉格光柵合束的基本原理如圖1所示。

　　當(dāng)一束平面波入射至一塊非傾斜( 光柵向量平行于光柵表面的法線方向) 的反射式體布拉格光柵上時，衍射效率可以由下式計算出來：

　　其中，λ0為光柵的中心波長，t 是光柵的厚度； nav是光柵介質(zhì)的折射率平均值，光柵介質(zhì)的折射率按正弦函數(shù)周期性變化； δn 是折射率調(diào)制的振幅； f 是光柵的空間頻率； Δλ 表示入射平面波與λ0的波長差。當(dāng)平面波波長和入射至光柵的角度滿足波長λ0對應(yīng)的布拉格條件，即Δλ = 0 時，獲得了最大的衍射效率η0，表示為：

　　對于體布拉格光柵而言，當(dāng)入射光波長和角度滿足布拉格條件時，衍射效率獲得最大值，近似于1； 而對于其他偏離布拉格條件的波長而言，衍射效率近似為0。所以，如圖1 所示，當(dāng)兩束具有一定波長差的光束以共軛的角度入射至光柵并在光柵上發(fā)生光斑重疊時，如果其中一束光λ1滿足布拉格條件而另一束光λ2在光柵上的衍射效率為0，那么波長λ1的光束以最大衍射效率發(fā)生衍射，而波長λ2的光束透射經(jīng)過光柵。這樣，波長λ1和λ2的兩束光經(jīng)過光柵作用后同軸輸出，即實現(xiàn)了波長不同的兩束光的同光路合束。以此類推，當(dāng)存在N個中心波長不同的體布拉格光柵時，即可實現(xiàn)N + 1路不同波長光束的光譜合束。

　　多層介質(zhì)膜光柵是一種平面光柵，其合束原理如圖2 所示。

　　式(3) 為平面衍射光柵的光柵方程：

　　其中，d 為光柵的縫距； θ1和θ2分別為光束的入射角度和衍射角度；m為衍射級次； λ為波長。由此可算出不同波長光束以同一衍射角度出射時對應(yīng)的不同入射角度。

　　由于多層介質(zhì)膜光柵的衍射主峰有一定的寬度，所以與衍射峰中心波長相差不大的其他波長，也可以在多層介質(zhì)膜光柵上獲得很高的衍射效率。這樣，有一定波長差的多路光束，以不同的特定角度入射至多層介質(zhì)膜光柵上的同一點，即可實現(xiàn)多路光束的同方向輸出，也就完成了多路光束的光譜合束。