高功率激光器在科學和工業(ye) 上有許多應用，但進一步提高激光平均功率有諸多限製因素，比如非線性效應或拉曼散射等，都會(hui) 阻礙激光平均功率的進一步提高。相幹合成技術(CBC)是激光平均功率和脈衝(chong) 能量進一步提高最有前景的方法。其基本原理如圖一所示，簡單來講，相幹合成技術可以看作是一個(ge) 帶有多個(ge) 並行放大器的幹涉儀(yi) 。在係統中種子源的激光被分成多束並送入幹涉儀(yi) 的不同光學臂，在每個(ge) 臂中，都有一個(ge) 放大器，這樣分開的激光就被放大最終再組合成單個(ge) 輸出光束。

圖1：相幹合成係統的基本原理

對超快激光來說，一些微小的擾動會(hui) 使得脈衝(chong) 之間產(chan) 生相位差，從(cong) 而大大降低合成效率，所以需要主動補償(chang) 相位差的技術，比如直接檢測技術可以使用HC探測器，間接檢測技術包括單探測器電子頻率標記技術(LOCSET)和隨機平行梯度下降技術(SPGD)等，補償(chang) 可以利用安裝在壓電陶瓷上的反射鏡，光纖拉伸器或空間光調製實現。現有的相幹合成方法主要有兩(liang) 大類，分別是平鋪孔徑和填充孔徑，幾何結構如圖2所示。對於(yu) 平鋪孔徑法，光束並排排列在近場區域，在遠場實現組合，但是該結構理論組合效率最高隻能達到76%。在填充孔徑係統中，光束通過組合元件(如部分反射鏡、偏振相關(guan) 分束器或分段光束反射鏡)在近場和遠場都可以實現相幹合成，因此可以有90%以上的合成效率。

圖2：相幹合成方法 （a）平鋪孔徑 （b）填充孔徑 （c）混合孔徑

2020年，Alexander Killi課題組提出了一種新的合成方式，他們(men) 稱之為(wei) 混合結構，如圖2（c）所示。合成元件是用一對微透鏡陣列(MLAs)以及一個(ge) 傅裏葉透鏡組成。提出的新概念結合了平鋪和填充孔徑方法的優(you) 點。這種方法可以像平鋪孔徑相幹合成一樣，可以多路同時合成，同時又可以像填充孔徑一樣，合成效率上限大大提高到90%以上。

具有空間相幹性的光束經過微透鏡陣列係統會(hui) 產(chan) 生分立衍射級，經過微透鏡陣列和傅裏葉透鏡後就可以產(chan) 生能量相等的激光光束。通過將該裝置反向使用就可以用於(yu) 光束的相幹合成，其主要原理如圖3所示。

圖3：MLAs作為(wei) 分束和合成單元的光路示意圖(頂部)和光束路在x-z方向的強度

微透鏡陣列(MLAs)的特征是截距a和曲率半徑(ROC)，兩(liang) 者可以定義(yi) 微透鏡陣列的有效焦距。入射光束入射第一個(ge) 微透鏡陣列，並被分裂成一係列的光束，陣列之間的距離接近其焦距。第二個(ge) MLA與(yu) 傅裏葉透鏡組合成一個(ge) 物鏡陣列，將第一個(ge) MLA產(chan) 生的像疊加在傅裏葉透鏡的焦平麵上，得到均勻的光強輪廓。簡而言之，透鏡光瞳引起衍射，陣列的周期性造成幹涉導致的結果。

文章進行了一維及二維的原理證明性實驗，對中心波長1030nm，帶寬10nm的光源先經過望遠鏡係統準直，並用半波片選擇適合於(yu) 空間光調製器的偏振方向。二維實驗裝置以及各部分光斑圖樣如圖4所示。對於(yu) 一維實驗，高斯光束經過微透鏡組係統均勻分為(wei) 5束，通過使用空間光調製器控製光束相位，並用相同係統進行合束。整個(ge) 過程分束效率高達98％，合成效率為(wei) 91％，接近模擬獲得的合成效率最大值93％。對於(yu) 2維實驗，高斯光束經過微透鏡組係統均勻分為(wei) 5×5的陣列，光束相位控製機製與(yu) 一維相同。整個(ge) 過程分束效率高達96％，合成效率為(wei) 90％，接近模擬獲得的合成效率最大值93％。由於(yu) 微透鏡陣列工藝問題，不能保證每個(ge) 微透鏡的焦距完全一樣，所以對合成效率有一定的負麵影響。對於(yu) 使用多個(ge) 放大器的係統還需要增加主動相位控製的器件，來保證較高的合成效率。

圖4：二維實驗裝置以及各部分光斑圖樣

除此之外，還可以通過控製各光束的絕對相位來進行光束整形，或者可以在不同階次的位置進行合束實現動態掃描的效果. 該方法成功實現了一種新穎、緊湊和簡單的裝置用於(yu) 光束的相幹合成之中，並且可以實現動態掃描和光束整形，對於(yu) 簡化合成裝置、提高激光的平均功率具有很強的實驗意義(yi) 。

參考文獻：

1. Prossotowicz, Maike, et al. "Coherent beam combining with micro-lens arrays." Optics Letters 45.24 (2020): 6728-6731.

2. Prossotowicz, Maike, et al. "Dynamic coherent bea