定义
一类光束组合方法，要求组合梁相互相干。
术语相干波束组合（也称为相干波束添加）表示通过波束组合进行功率缩放的更一般技术中的一类技术。 目标是组合多个高功率激光束，以便获得单个光束，不仅具有相应的更高功率，而且或多或少地保留光束质量，从而增加辐射度（亮度）。 相干组合还可以保留频谱带宽。 另一篇文章中讨论的另一种技术是光谱束组合。
并排组合与填充光圈技术
相干光束组合技术可细分为
- 并排组合（平铺孔径）技术，使用一种相控阵，导致更大的光束尺寸，但发散度减小
- 填充孔径技术，其中多个光束组合成具有相同光束尺寸和发散度的单个光束，例如使用某种 N × 1 光栅分光器。
图1：相干光束组合技术。a） 平铺孔径组合的示例，其中四个光纤放大器的输出组合成一个大面积的光束。由于同步的光学相位，整个光束的光束发散度减小。b） 使用衍射光栅的填充孔径组合示例。
填充孔径技术的一个特例是相干偏振光束组合[21]。 在这里，只能有两个输入波束。 但是，由于输出极化是线性的，因此可以根据需要重复组合。
例如，并排组合技术可以通过光纤阵列实现。 它们可能受到早期在射频和微波发射器和接收器中实施相控阵天线的启发。 在光学领域，由于波长小得多，因此实现更加困难，这引入了相应的更严格的机械公差。
在任何情况下，组合梁的相互相干性至关重要；通常，相对相位偏差需要远低于1 rad rm.m.s。 通过两个示例说明了上述两个子类，这些子类在实际意义上可能并不理想，但在概念上很简单：
- 作为并排组合的简化示例，可以布置具有矩形横截面和平坦相位轮廓的平顶强度分布的四个光束，以获得尺寸仅为两倍的单个光束，或四倍的面积，当然还有四倍的功率。 （在实践中，光束之间可能存在低强度的小间隙，但原则上这种间隙可能相当小。 如果光束都是相互相干的，并且适当调整相对相位以获得整个横截面上的基本平面波前，则产生的光束发散度仅为单光束的一半。 结果，光束质量得以保留，亮度可以是单光束的四倍。 在实践中，平顶光束轮廓可能不容易获得（特别是不是矩形），并且单个光束之间的间隙（即有限的填充因子）会在一定程度上降低光束质量和亮度。
- 要了解填充孔径技术的原理，请考虑具有50%反射率的分束器。 在该分束器上重叠两个输入波束通常会导致两个输出，但如果两个波束相互相干并进行调整，使得其中一个输出存在破坏性干扰，则可以获得单个输出。 这种技术更容易保持光束质量，并且不需要特殊的光束形状，但对于大量发射器来说可能不太方便。
除了相位相干外，所涉及的光束必须具有稳定的线性极化，并且幅度波动也不应过大。
获得相互一致性的方法
有多种技术可以获得相互一致性，简要总结如下：
- 通过分离低功率单频激光器的输出并放大产生的光束，例如在高功率光纤放大器中，可以产生相互相干的单频信号。 由于放大器可能会引入放大器噪声，特别是以温度变化等引起的低频相位干扰（漂移）的形式，因此可能需要主动反馈稳定方案，例如作用于每个放大器的泵浦功率或在每个放大器输入端使用相位调制器。 由此产生的相位相干光束可以在多个分束器上组合，也可以采用平铺孔径方法进行组合。 后者对于大量光束可能更方便。 这种技术特别适用于光纤放大器 [11]、激光二极管 [7] 和脊波导放大器 [5] 阵列。
- 或者，多个高功率激光器的相位可以通过某种光耦合进行同步。 一种方法是通过倏逝波（泄漏波耦合）进行耦合，目的是激发结构的合适超模，该超模表现出高光束质量。 该技术特别适用于激光二极管阵列[2，6]，在一个芯片上包含多个有源波导，只需将波导放置得足够近即可获得耦合。 该技术也可以应用于多芯光纤[16]，或分离光纤激光器[15]。 然而，一个困难的挑战是不仅要获得紧密耦合，还要获得耦合，以使波导输出端的相位相等（而不是相反）。
- 共谐振器技术避免了后一个问题，其中光束在输出耦合器上完全组合，但在谐振器（激光谐振器）内分裂，以在不同的增益元件中放大。
- 后一种方法有一个变体，也使用一个共同的谐振器，但不同子谐振器中的光程长度明显不同[9，10，13]。 对于某些光学频率，存在超模式，其中来自不同子谐振器的反射在输出耦合器上同相添加。 如果这些超模位于增益带宽内，则激光可能只发生在这些超模上，从而实现高效的相干波束组合。 这种方法被称为自组织相位同步[12]。 它不需要光程长度的干涉稳定，似乎特别适用于光纤激光器。
- 还有一些方案使用非线性相互作用实现相位同步，例如受激布里渊或拉曼散射。 这种技术尚未得到高度发展。
还有被动光束组合技术，其中输入激光器自动进入相互相干振荡（通过一些反馈或非线性相互作用），即使它们不是单频激光器。 然而，主动稳定激光阵列通常需要单频操作。
一个特例是超短脉冲束的非共线相干叠加[25]。 在这里，实际上不应该使用术语光束组合，因为人们只利用两个明显分离的光束在其焦点周围区域的叠加。 对于某些应用程序，这可能就足够了。
相干光束与非单色波结合
相干光束组合主要由单色波完成。 但是，它也可以应用于非单色输入光束，只要它们是相互相干的。 例如，具有宽光谱的超短脉冲可以相干组合[22]。 然后要求路径长度精确匹配，以便所有输入光束对输出的贡献的时间峰值同时出现。 光带宽越宽，延迟匹配就越关键。 对于非常宽的脉冲（无论它们是否在时间上拉伸），臂长差异只有几微米甚至更小是可以接受的。
总论
总体而言，相干光束组合方法尚未得到非常成功的应用，尽管已经研究了许多不同的方法。 主要困难是以足够稳定的方式在高功率水平下获得相位相干性，不仅在安静的实验室环境中工作，而且在机械上更嘈杂的工业环境中工作。 另一个挑战是需要精确稳定的波前和偏振方向相匹配。 使用单频信号和高功率光纤放大器的方案可能需要采取额外的措施来抑制受激布里渊散射（SBS）的问题。 在平铺孔径系统中，光束质量的一些下降是由小于单位的填充因子引起的，这会导致远场光束图案中的旁瓣。 相比之下，依赖于光谱束组合的系统在各个方面都更具耐受性，但可以使用相干组合，例如如果需要窄发射光谱。
参考文献
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