主动相位控制光纤激光相干合成是突破单束光纤激光功率极限，实现更高功率输出，同时保持高光束质量的有效技术途径。本文结合国内外研究进展，介绍近20年来课题组在相关领域取得的代表性成果，并对未来发展方向进行分析研判。

光纤激光阵列相位调控技术既可以突破单路光纤激光功率提升瓶颈，也是高功率特殊光场生成的有效途径之一。随着人工智能技术的迅速发展，将先进的智能算法引入激光阵列系统的控制模块中有望实现闭环相位控制能力的提升。综述了近年来基于机器学习的光纤激光阵列相位控制技术的最新研究进展，并对机器学习赋能光纤激光阵列相位调控的发展趋势和挑战进行了展望。

激光相干偏振合成(CPBC)是获得高亮度线偏振激光输出的有效方法。基于此,提出一种光相位调制技术,将两路光相位差转变为幅度调制,进行光外差偏振相位探测和线性锁相控制,实现了两路同频率激光光束的相干偏振合成。理论上详细分析了光外差偏振相位探测的理论模型和线性锁相控制环路的数学模型,用于优化系统参数。锁相控制后,合成光束的输出功率为352.4 mW,偏振消光比高达17.67 dB,系统的控制带宽约为66.1 kHz,剩余相位噪声为1×10 -4 rad·Hz -1/2(1 Hz)和3×10 -6 rad·Hz -1/2(>100 Hz)。相比于其他CPBC的锁相方法,该方法对偏振消光比以及控制带宽都有明显的提升,有效地抑制了相位噪声。

提出一种具有光束会聚功能的单层亚波长光栅结构,该结构能实现光束会聚及四路分光。利用严格耦合波分析法和波前相位控制原理设计并优化该亚波长光栅结构,并给出具体相位设计规则。基于有限元软件COMSOL对其进行仿真分析,结果表明,当波长为1550 nm 的横磁(TM)偏振光入射时,该结构可实现四路分束,每束光功率都相等且可实现光束会聚,经计算得到总体透射率为92.670%。该亚波长光栅结构有望在光通信集成以及空间光耦合等领域得到重要应用。

提出了一种二维三角晶格光子晶体“或非”和“非”全光逻辑门设计。该设计使用空气中的硅介质柱光子晶体材料, 其主体为四根光子晶体波导组成的四端口结构。通过平面波展开法和有限时域差分法计算了其能带结构和光学传输特性, 并对其逻辑功能进行了分析。结果显示, 通过控制光相位, 该结构能够实现“或非”和“非”逻辑功能, 结构尺寸为9.675μm×7.820μm, 响应周期为0.388ps。

光纤激光相干合成是突破单路光纤激光功率极限和实现更高输出功率的有效技术方案，是传统高功率激光系统走向激光相控阵高功率光纤激光系统的重要基础。介绍了高功率光纤激光相干合成的系统结构，并指出了主要研究对象和关键技术；介绍和分析了光纤激光相干合成的国内外相关研究现状和发展趋势；分析了光纤激光相干合成面临的主要技术挑战。

随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种基于直接性能指标优化的相位控制方法, 在自适应光学中有较好的适用性。该算法主要包含增益系数和随机扰动幅度两个可变参数, 其取值对算法收敛性有很大的影响。对双边SPGD算法实现收敛时参数的取值要求进行研究, 结合算法原理分析了算法参数的取值范围, 并通过大量仿真实验找出所有使双边SPGD算法收敛的增益系数和随机扰动幅度值; 得到随机扰动幅度的取值下限, 理论和仿真分析了下限存在的原因及取值; 在相干合成中存在相位噪声, 研究了不同相位校正器参数的情况下可使算法收敛的参数的取值范围。