高能激光多点对称光谱合成技术设计方法研究(2)
简单来说，光束合成与光波叠加原理相同，激光合束技术分为相干合束与非相干合束。相干光是波长、偏振态都相同同时相位差也恒定的光。所以相干合束技术是指相干光在远场或者近场的叠加[3]。相干合束技术的基本思路是通过相干控制将多束中等功率的激光合成高能激光，关键在于对于相位锁定的控制，这项技术可以有效在提升功率的同时保持光束质量。目前美国国防部高级研究计划局（DARPA）希望通过相干合束这种方法来实现100kW量级的高亮度激光[4]。相干合束的出射光束相干性好，亮度高，但由于激光器使用多模块结构锁相输出(多激光束相位控制)是相干合束的技术难点,对于装置以及研究水平都有较高要求，因此距离实用性仍有一段距离[5]。
1.2 与本课题相关的各式实验方法
相干合束除了装置要求高，另一方面，由于一的增加功率，会导致激光谱线加宽[6]。谱线加宽的结果又会导致相干性下降，同时，压窄谱线又会限制功率的增加，这样的矛盾也导致相干合束受到了巨大的限制[7]。与相干合束对应，存在着非相干合束技术。非相干合束技术是采用光学元件把多路激光在近场和远场合成一束[8]。与相干合束目的一样，非相干合束可以增加输出功率，同时也能保持光束质量不变，来提高光束强度。他与相干合束相比，非相干合束不需要子光束参数强制性的保持一致，非相干合束是能量的一个简单叠加，非相干合束最终出射激光时，它的光束质量主要由合束装置来决定[9]。由于非相干合束的实验装置较为简单，它没有相位、光谱以及频率的限制，调试容易[10]。所以成为了本论文研究的方向。
非相干合束方法有许多,典型的有波导式合束、偏振合束、空间合束和光谱合束等。波导式合束利用波导结构的特点[11]，使得几束互不相干的光统一在波导空间出射。但是它主要仍用于功率传输不大的实验中，因为波导原件精密结构限制它不适合作为单纯提升功率的方案[12]。偏振合束的原理是是利用元件将偏振态垂直的两束光合成为一束，关在在于合成用的偏振合束元件[13]。如下图所示，两束偏振态相同的激光经过准直后分别入射，一束激光经过半波片后偏振态旋转九十度，偏振合束器将这两束偏振态成90度的光进行合束。目前的偏振合束器件多为偏振分束镜和晶体偏振棱镜[14]，这些器件孔径角有一定的范围导致效率受到限制。2010年德国弗里德理西-席勒•耶拿大学Seise等人报道了两路脉冲激光的偏振合成实验，同年Daniault等人实现了效率达到90%，平均功率7.2W的偏振合束实验[15]。
图1.2-1偏振合束示意图
空间合束的原理是利用反射镜把低功率光最终合成为同一方向出射的一束高能光束。空间合束是光束在空间上位置相加，并不影响每一束参与合成光束的波长和偏振态（与偏振合束不同）[16]。这项技术的缺点在于由于中间有反射镜元件，不可避免的造成能量损失，而且由于是空间上的简单叠加，必然使得合成光束的尺寸偏大[17]。