相干合束

定义:一种光束合束的方式，需要合束的光束是相干的。

相干合束是一种通过光束合束进行功率放大的技术。目的是将多个高功率激光光束合在一起得到一束光束，不仅具有更高的光功率还保持光束质量，因此光束亮度提高。相干合束还保留了光谱宽度。另一种方法是光谱合束。

并排合束与连续孔径技术比较

相干合束技术可以分为以下几种：

1. 并排合束技术，可以得到更大的光束尺寸，但是光束发散角减小
2. 连续孔径技术，其中几个光束合成一个光束，具有相同的尺寸和发散角，采用了N*1光栅分束器。

图1：相干合束技术。a)并排合束的例子，其中四个光纤放大器的输出光结合成一束具有更大的光束面积。b)连续孔径合束的例子，采用了一个衍射光栅。

连续孔径合束的一个特殊的离子是相干偏振合束。其中，入射光束只能有两个。但是，由于输出光偏振态为线偏振，因此可以重复这一合束过程。

并排合束技术的发展受益于早期在相控阵天线和微波发射器和接收器的应用。在光学领域，由于采用的波长更短，因此实现合束非常困难，这需要非常严格的机械允差。

任意情况下，都需要合在一起的光束是相干的，且相对相移需要小于1 rad r.m.s. 这在之前给出的两个例子中都提到了，在实际情况下似乎并不理想，但是理论上比较简单：

1. 作为并排合束技术的一个简单的例子，具有平顶光强、矩形横截面和平坦相位的四束光束合在一起得到一束光束，尺寸是原来的两倍，面积是四倍，功率也是原来的四倍。（实际中，光束间可能具有较小的间隙，但是原则上这种间隙可以非常小。）如果光束是相互相干的，并且相对相位经过仔细调整，在整个横截面都能得到非常平坦的波前，那么得到的光束发散角只有单个光束的一半。因此，光束质量不变，亮度是单个光束的四倍。实际上，很难简单的得到平顶光束，单个光束间的间隙也会降低光束质量和亮度。
2. 为了理解连续孔径合束技术，考虑具有50%反射率的分束器。将两入射光束在分束器中叠加，一般能够得到两束光，但是，如果两束光相干并且调整使一束光发生相消干涉，那么就可以只得到一束光。这种技术可以更好的保持光束质量，并且不需要特殊的光束形状，但是当发射器数目较多时就不方便。

除了相位相干，光束还需要具有稳定的线偏振态，幅值涨落也不能太大。

得到相干光束的方法

有很多种技术可以得到相干光束，总结如下：

1. 将低功率单频激光器的输出光分束，然后再采用高功率光纤放大器进行放大可以得到相干的单频信号。由于放大器会引入放大器噪声，尤其是温度变化引起的低频相位漂移，需要采用主动反馈稳定机制，作用于每个放大器的泵浦功率或者才每个放大器入射端采用一个相位调制器。得到的相位相干光束可以在多光束分束器或者并排合束方案进行合束。后者低于光束数量多时更加方便。这种技术尤其可以用在光纤放大器阵列[11]，激光二极管[7]，和脊形波导放大器[5]。
2. 另外，多个高功率激光器的相位也可以采用光学耦合进行合成。一种方案是通过衰逝波进行耦合，可以激发波导结构的多个模式，具有很高的光束质量。这种技术尤其适用于激光二极管阵列[2,6]，其中在一个芯片上包含多个波导，只需要将波导放置的足够近就能实现耦合。这种技术也可以应用于多芯光纤[16]，或者分离光纤激光器[15]。但是，一个问题就是不仅要实现耦合，同时波导的各个输出光束的相位是相等的。
3. 上一问题可以采用普通谐振腔技术解决，采用普通的谐振腔但是不同子谐振腔的光程差别很大[9,10,13]。对于特定光学频率，从不同子谐振腔的反射在输出耦合器叠加形成某些超级模式。这种方法称为自组织相位合成[12]。它不需要干涉稳定光程，尤其适用于光纤激光器。
4. 还可以采用非线性相互作用，例如受激布里渊或拉曼散射，来实现相位合成。这种技术还没有很好的发展。

非单色光相干合束

相干合束大多数情况下采用的是单色光。但是，入射光也可以是非单色光，只要是相干的即可。例如，具有很宽光谱的超短脉冲可以相干合成[21]。这需要光程严格匹配，这样入射光束的峰值与输出光的峰值在相同的时间达到。光波带宽越宽，对于时延匹配要求越严格。对于非常宽带的脉冲（不考虑其时间延伸与否），臂长差在几微米或者更短是可以接受的。

还有一种被动合束的技术，其中入射激光能够自动的相干振荡，即使它们不是单频激光器。但是，主动稳定激光器阵列通常需要单频工作。

一般性说明

总的来说，相干合束的技术并没有很广泛的应用，尽管很多方案都在进行研究。最大的困难是得到很高功率的足够稳定的相位相干的光束，不仅能够工作在实验室环境还可以在更噪杂的工业环境中应用。另一个问题是需要波前和偏振方向严格匹配和稳定。采用单频信号和高功率光纤放大器的方案需要采用额外的方式来抑制受激布里渊散射的产生的问题。在并排合束系统中，填充因子小于1也会降低光束质量，在远场光束中形成旁瓣。与之形成对比的是，采用光谱合束的系统对各种因子要求没有那么严格，但是如果需要窄的辐射光谱时需要相干合束。

参考文献

[1] E. M. Philipp-Rutz, “Spatially coherent radiation from an array of GaAs lasers”, Appl. Phys. Lett. 26, 475 (1975)

[2] D. R. Scifres et al., “Phase-locked semiconductor laser array”, Appl. Phys. Lett. 33, 1015 (1978)

[3] D. G. Youmans, “Phase locking of adjacent channel leaky waveguide CO₂ lasers”, Appl. Phys. Lett. 44, 365 (1984)

[4] M. Oka et al., “Laser-diode-pumped phase-locked Nd:YAG laser arrays”, IEEE J. Quantum Electron. 28 (4), 1142 (1992)

[5] K. H. No et al., “One dimensional scaling of 100 ridge waveguide amplifiers”, IEEE Photon. Technol. Lett. 6 (9), 1062 (1994)

[6] S. Saunders et al., “High power coherent two-dimensional semiconductor laser array”, Appl. Phys. Lett. 64, 1478 (1994)

[7] J. S. Osinski et al., “Phased array of high-power, coherent, monolithic flared amplifier master oscillator power amplifiers”, Appl. Phys. Lett. 66, 556 (1995)

[8] Y. Kono et al., “A coherent all-solid-state laser array using the Talbot effect in a three-mirror cavity”, IEEE J. Quantum Electron. 36 (5), 607 (2000)

[9] A. Shirakawa et al., “Coherent additional of fiber lasers by use of a fiber coupler”, Opt. Express 10 (21), 1167 (2002)

[10] D. Sabourdy et al., “Power scaling of fibre lasers with all-fibre interferometric cavity”, Electron. Lett. 38, 692 (2002)

[11] S. J. Augst et al., “Coherent beam combining and phase noise measurements of ytterbium fiber amplifiers”, Opt. Lett. 29 (5), 474 (2004)

[12] M. L. Minden et al., “Self-organized coherence in fiber laser arrays”, Proc. SPIE 5335, 89 (2004)

[13] L. Liu et al., “Phase locking in a fiber laser array with varying path lengths”, Appl. Phys. Lett. 85, 4837 (2004)

[14] T. Y. Fan, “Laser beam combining for high-power, high-radiance sources”, IEEE J. Quantum Electron. 11 (3), 567 ()

[15] H. Bruesselbach et al., “Self-organized coherence in fiber laser arrays”, Opt. Lett. 30 (11), 1339 (2005)

[16] L. Michaille et al., “Phase locking and supermode selection in multicore photonic crystal fiber lasers with a large doped area”, Opt. Lett. 30 (13), 1668 (2005)

[17] T. M. Shay et al., “Self-synchronous and self-referenced coherent beam combination for large optical arrays”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13 (3), 480 ()

[18] W. Liang et al., “Coherent beam combining with multilevel optical phase-locked loops”, J. Opt. Soc. Am. B 24 (12), 2930 (2007)

[19] N. Satyan et al., “Coherent power combination of semiconductor lasers using optical phase-lock loops”, IEEE Sel. Top. Quantum Electron. 15 (2), 240 (2009)

[20] A. A. Ishaaya et al., “Passive laser beam combining with intracavity interferometric combiners”, IEEE Sel. Top. Quantum Electron. 15 (2), 301 (2009)

[21] A. Klenke et al., “Basic considerations on coherent combining of ultrashort laser pulses”, Opt. Express 19 (25), 25379 (2011)

[22] A. Klenke et al., “530 W, 1.3 mJ, four-channel coherently combined femtosecond fiber chirped-pulse amplification system”, Opt. Lett. 38 (13), 2283 (2013)