通過將多個(ge) 超快光纖激光進行相幹合成，可以克服單根光纖的功率限製。在這種相幹合成裝置中，一般采用偏振分束器（PBS）用於(yu) 合束(如圖1(a)所示)，不過這種裝置複雜度較高，而且隨著合成通道數的增多，占用體(ti) 積也會(hui) 越來越大。德國耶拿課題組提出了分段反射率分束器（SMS）的合成辦法，如圖1(b)(c)所示。

圖1 (a)級聯合束係統示意圖 (b) SMS裝置示意圖，數值為(wei) 分束麵的反射係數，在輸入波束陣列功率均勻的情況下，可以實現振幅完全匹配。(c)整體(ti) SMS，即所有鍍膜都沉積在單個(ge) 元件上 (d)將組合擴展為(wei) 二維陣列，每個(ge) SMS鍍膜分布一致

SMS可以僅(jin) 用一個(ge) 或兩(liang) 個(ge) 光學元件製造。對於(yu) 多個(ge) 超快激光光束的合成，采用雙單元空氣間隔設計可使非線性效應和色散效應最小化，同時該裝置還可以拓展到二維合束，如圖1(d)所示。為(wei) 了實現合束過程中完美的振幅匹配，必須在每個(ge) 分束或合束節點使用特殊的鍍膜部分。但是對於(yu) 每一束光，需要一個(ge) 特定鍍膜的反射區，裝置還是較為(wei) 複雜。由於(yu) 相幹合成中振幅誤差的影響相對於(yu) 相位誤差的影響較小，耶拿課題組提出了一種可以共用鍍膜的簡化設計。

圖2 三種簡化SMS設計

如圖2所示，本文介紹了SMS的三種簡化設計策略。在每一種簡化設計中，第一束輸入光束通過全透鍍膜部分，而其餘(yu) 的N-1束入射光將入射到反射係數由優(you) 化算法確定的1個(ge) 、2個(ge) 或者3個(ge) 鍍膜截麵上。在假定完美相位匹配的情況下，以整體(ti) 合成效率為(wei) 目標優(you) 化函數，采用數值方法求解簡化的SMS設計參數。

圖3展示了三種設計在單個(ge) SMS中組合多達40個(ge) 波束的理論合成效率。這些模擬假設了理想的HR和AR表麵(實際情況可以通過調整參數來進行模擬)。隨著鍍膜數增多，優(you) 化的鍍膜截麵可以更接近理想的振幅匹配情況，因此可以實現更高的合成效率，但是鍍膜數的邊際收益會(hui) 迅速減少。使用兩(liang) 個(ge) 相同的簡化的SMS可以實現二維光束的合束。

圖3 優(you) 化後三種模擬SMS設計的組合效率 (上)理想條件下的理論合成效率；(下) 99.8%反射率表麵時合成效率

在對各鍍膜反射率進行優(you) 化的同時，也可以對入射到各個(ge) 圖層的光束數量進行優(you) 化，但是這對總體(ti) 合成效率影響並不大。作者還研究了反射係數的誤差對合成效率的影響。如圖4所示，當反射率的誤差在2%以內(nei) 時，與(yu) 理想情況相比，25束光束的合成效率僅(jin) 低2%左右，完全可以接受。以上模擬中均沒有考慮其他效應對合成效率的影響。

圖4 單鍍膜SMS設計中鍍膜反射率誤差的影響示意圖

文章還討論了簡化的SMS在分束器方麵的潛力。SMS用作分束器時優(you) 化的鍍膜設計與(yu) 合束器時的設計思路是相同的，但是也要考慮一些額外效應。SMS光學分束的均勻性在光纖CPA放大器係統中非常重要,一些光學過程將受到每個(ge) 纖芯中絕對能量的影響，進而反過來影響放大光束的均勻性和合成效率。因而SMS作為(wei) 分束器輸出的最小和最大光束功率的比值是其作為(wei) 分束器使用的一個(ge) 重要參考。

對於(yu) 5-25束分光的情況，三鍍膜SMS的分光情況如圖5所示。在超快光纖CPA放大係統中，由於(yu) 種子光分布的不均勻，在放大過程中會(hui) 導致積累的非線性相位(B積分)不同，且在光纖中，這種變化由於(yu) 光纖纖芯的高峰值功率和較長的路徑長度而增強。因此，用簡化的SMS來分束產(chan) 生非均勻光束分裂的影響，在很大程度上依賴於(yu) 光纖係統的參數。

圖5三鍍膜簡化設計用作分束器的性能示意圖：(a) 5-25束分束時，三鍍膜SMS的最小輸出功率與(yu) 最大輸出功率之比；(b)用作分束器的10束三鍍膜SMS輸出光束功率的直方圖

總之，本文提出了用於(yu) 相幹合成分束與(yu) 合束的簡化設計的SMS數值分析。由於(yu) 相幹合成過程中振幅失配的影響相對較弱，因此可以通過減少鍍膜的數量來實現有效的光束合成，從(cong) 而大大簡化了這些光學器件的製造過程。