激光相干合成的奇妙之旅

封面文章|周朴,粟荣涛,马阎星,马鹏飞,吴坚,李灿,姜曼. 激光相干合成的研究进展:2011—2020[J]. 中国激光, 2021, 48(4): 0401003

【封面解读】本封面体现了相干合成相对于非相干合成的优势。非相干合成技术通过对N路激光的倾斜和离焦等进行控制，使各路激光在目标处实现强度叠加，能够将目标处的功率密度提高N倍。相干合成技术通过对N路激光的活塞相位、倾斜、离焦、偏振、模式和光程等进行控制，使各路激光在目标处实现振幅叠加，能够实现阵列光束的亮度提升，将目标位置的峰值功率密度提升N2倍。

科学编辑：毛元昊

对多束激光进行相干合成是实现激光功率提升的同时保持光束质量的有效技术途径，它的发展历程几乎和激光技术的发展同步，已经应用于各种类型的激光器。

激光相干合成实现的关键就是要让每一束激光“心往一处想，劲往一处使”，相位、偏振、光束倾斜度等光参量就是每束激光的“心”和它们要用的“劲”。近十年来，科学家们围绕着光源性能、光束控制等关键领域，让每一路激光“配合”得越来越协调，不断推动着激光相干合成技术迈上一个又一个新的高峰。

相干合成的单元激光

相干合成系统的基础单元是每一个单独的激光器，若要系统总体发挥出最佳能力，那么每一个成员的性能自然也要精益求精。为保证相干合成系统的输出性能，参与合成的单束激光需具备模块化、紧凑化、高效率等特点。近年来，在广泛的理论探索和工程实践基础上，以光纤激光、固体激光、半导体激光为代表的激光器逐渐脱颖而出，成为研制相干合成系统的三种高性能单元模块。

固体激光器是早期人们用于研究相干合成技术的“宠儿”，其中利用Nd:YAG板条激光为基本合成单元的相干合成系统在本世纪初率先实现了百千瓦级输出功率。

然而，在一段时期内，板条固体激光器难以同时实现高功率、高光束质量输出，并且电光效率相对较低。近几年，研究人员通过引入光束净化和Yb:YAG介质等方式，改善并提高了高功率固体激光的光束质量和效率等。

目前，固体激光是超强激光的重要实现方式。无论是高重复频率高平均功率超强激光系统，还是低重复频率超高峰值功率超强激光系统，相干合成都是重要发展方向。

相比于传统的固体激光，光纤激光器是一支后起之秀。在先进制造、大科学工程等领域的需求牵引下，光纤激光的性能不断提升，并朝着“任意功率、任意波长和任意输出模式”的方向发展。此外，光纤激光器还具备转换效率高、结构紧凑、可柔性操作等特点，是目前相干合成系统采用的最多的激光器类型。

光纤激光的特点使其具备大阵元数目合成的潜力，国防科技大学在2020年实现了107路光纤激光相干合成，这是目前公开报道的光纤激光相干合成最高路数。

图1 国防科技大学课题组研制的107路光纤激光相干合成实验系统和实验效果

[Photonics Research，2020，8(12)：1943]

半导体激光具备高效率、体积紧凑、长寿命、高可靠性等优势，但其相干合成的发展却“不温不火”，主要原因是高功率半导体激光的光束质量相对较差。

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。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甚至达到相同功率量级的固体激光系统。

相干合成的使能技术

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。其中，对各路激光的相位、倾斜、偏振、光程和高阶像差的控制以及对阵列激光进行孔径填充是关键技术。

（1）相位

在单路激光中，相位几乎从不显山露水；而当多路激光合成时，相位则对光场强度的调控发挥着重要的作用。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，通常可以将其分为被动相位控制和主动相位控制两大类：前者是一种被动补偿技术，结构简单，无需复杂的控制系统；而后者则可以通过算法设计实现对各路光束更灵活的控制。

（2）倾斜

高能激光在自由空间传输过程中，由于每一路皆会受到热效应、大气湍流等因素的影响，在目标处难以有效重叠，致使能量分散。为此，科研人员引入了倾斜控制技术。

最常见的倾斜控制方法是使用快速倾斜镜。倾斜镜通过外加压电控制信号，改变反射镜面的整体倾斜量。这一方案技术成熟、简单有效。但当阵列数目较多时，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，研究人员提出了自适应光纤准直器（AFOC）的技术方案。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。

（3）偏振

在激光传输过程中，垂直于传播方向上快速振荡的电/磁场分量，就是激光的偏振方向。为了提升光束合成效率，一般要求各路激光的偏振方向相同，因此在相干合成系统中，人们还需要对激光偏振进行有效的控制。

比如，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，在输出端利用半波片进行静态的偏振调节，从而达到良好的相干合成效果。另外，还可以搭建非保偏放大器，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。

（4）光程和高阶像差

除了上述光学参量的控制以外，各路激光之间的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。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，因此人们还需同时引入光程控制技术和高阶像差控制技术。

国防科技大学利用空间光路调节、被动光纤熔接、光学延迟线（ODL）和光纤拉伸器（FS）相结合的多级高精度光程控制方法，实现了全光纤飞秒激光相干合成系统的光程差慢漂移自适应控制。

图2 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

[光学学报，2016，36（9）：906003]

（5）孔径填充

最后，为了提高阵列光束远场光斑的能量集中度，减少阵列光束远场光斑中旁瓣的能量占比，通常还需要利用孔径填充技术提升阵列光束的占空比。

在人们对各路激光的相位、倾斜、偏振、光程以及高阶像差的综合控制技术越来越成熟时，激光相干合成也逐渐向更宽广的方向发展。

目前，研究人员利用空域/时域合成、相干光谱合成技术实现了对超快激光的相干合成，获得了万瓦级高平均功率激光输出。

此外，利用超短脉冲超强激光已经实现了变频激光的相干合成，为特殊波长激光或者极端光场研究提供了有效的技术途径。

图3 德国Jena大学课题组实现的平均功率为10.4 kW的飞秒脉冲相干合成系统

[Optics Letters，2020，45（11）：3083-3086]

相干合成的广阔应用

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。

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。

2017年，日本大阪大学的科研人员利用相干合成光纤激光泵浦高功率亚纳秒脉冲激光系统，实现了千瓦级1040 nm基频脉冲激光输出，重频为10 MHz、脉宽为285 ps；经过频率变换系统，获得了平均功率为600 W的520 nm激光输出（二次谐波）和平均功率为300 W的347 nm激光输出（三次谐波）。

对于520nm激光和347 nm激光而言，上述平均功率都是非常先进的技术指标。

在钠导星、激光雷达等应用领域，通常需要窄线宽高亮度的光源。

2010年，欧洲南方天文台对3路1178 nm的单频拉曼放大器进行相干合成后再进行倍频，获得了50 W的589 nm钠黄光输出，成功应用于激光导星。

2013年，美国罗彻斯特大学成功将相干合成技术运用到多通道光纤慢光雷达系统中，使其具备了二维扫描能力。

在空间光通信领域，相干合成技术也可用于对光信号的多孔径接收以及对信号光的合成发射。

充分利用相干合成系统中每一路激光的调控能力，可以产生许多有趣的结构光场。

比如，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。

这些结构光场展现出新颖的物理效应和现象，极大地拓展了激光技术的应用。

图4 相干合成产生OAM 光束的原理与实验结果

[High Power Laser Science and Engineering，2019，7（2）：e33]

值得一提的是，在促进基础物理发展的大科学装置中，激光相干合成系统也能大展身手：国际相干放大网络工程（简称ICAN）将采用数以万计的超短脉冲进行相干合成，产生一个峰值功率极高的超级光源，这将成为下一代粒子加速器的驱动源。

该光源在激光推进、粒子束产生、原子能和空间碎片清理等方面也将发挥重要作用。

图5国际相干放大网络工程概念图

[图片来源于ICAN项目主页]

课题组简介：

国防科技大学激光相干合成课题组隶属于该校高能激光技术团队，主要从事单频/窄线宽光纤激光、超快激光、激光多参量控制、相干合成系统集成、大气传输与“目标在回路”控制等方面的研究以及相关教学和人才培养工作，实现了连续/纳秒/皮秒/飞秒等多种制式的光纤激光相干合成，出版中文学术专著1部（**工业出版社）、参编英文专著1部（Wiley出版集团）。在全光纤单频光纤激光方面，课题组在国际首次实现300瓦级（2013年）、400瓦级（2017年）和500瓦级（2020年）功率输出；在激光相位控制方面，课题组先后实现6束（2009年）、16束（2010年）、32束（2014年）、60束（2018年）和107束（2020年）激光相干合成；在系统集成方面，课题组先后光纤激光相干合成千瓦级（2010年）、5千瓦级（2016年）和8千瓦级（2019年）功率输出。