光纖激光器相干組束技術是突破單根光纖激光器功率與亮度極限、實現高功率高光束質量激光輸出的關鍵途徑之一。其中，基于自成像腔的相干組束方案，因其結構相對緊湊、對相位控制要求具有一定容差性而備受關注。該技術的實用化進程，高度依賴于一系列高性能核心元件與器件的研發。本文將聚焦于此，探討相關研發的關鍵方向與進展。
一、 核心光學元件：光束分割與合成
自成像腔相干組束的基礎是腔內光束的自動分割與再合成，這離不開高性能衍射光學元件的支撐。
- 相位型衍射光學元件（DOE）：這是實現光束分割（如將一束光分為多路）或特定相位分布調制的核心。研發重點在于：
- 高損傷閾值：必須承受腔內高功率密度，通常需要采用熔石英等材料，并通過精密刻蝕或薄膜沉積工藝制作表面微結構。
- 高衍射效率：目標是使絕大多數光能量集中在設計級次（如用于分束的多個±1級），減少零級或其他雜散光損耗，這對于維持腔效率和光束質量至關重要。
- 低波前畸變：元件本身引入的像差應盡可能小，以避免破壞子光束間的相干性。
- 反射式合束器件：如衍射光柵或特殊設計的反射鏡。尤其對于光譜組束或角度復用組束，高精度、高損傷閾值的反射式體布拉格光柵（VBG）或透射式光柵是關鍵。研發需關注其波長選擇性、角度選擇性以及在高功率下的熱穩定性與熱致畸變控制。
二、 關鍵有源與增益器件
- 高亮度增益光纖：組束系統的最終亮度受限于單個子通道的亮度。因此，研發大模場面積（LMA）同時保持單模或低階模運轉的抗彎折增益光纖是基礎。光子晶體光纖、溝槽輔助型光纖等特種光纖在此領域展現出潛力，它們能在增大模場的同時有效抑制高階模。
- 高性能泵浦合束器：為多個增益光纖高效泵浦，需要研發多端口、低損耗、高功率承受能力的泵浦合束器（泵浦光耦合器）。其熱管理設計和材料（如無源光纖的匹配）直接影響系統的長期穩定性和可擴展性。
三、 相位探測與控制器件
盡管自成像腔具有一定的相位自調整能力，但在實際運行中，尤其是面對環境擾動和熱效應時，主動相位控制（鎖相）仍是實現穩定、高效相干合成的必要補充。
- 高帶寬、高靈敏度相位探測器：需要能夠實時探測多路子光束間的微小相位差。外差探測、多抖動法等對應的光電探測器件需要高帶寬和低噪聲特性。集成化的光學相位傳感器芯片也是研發方向之一。
- 高速相位調制器：用于根據相位誤差信號快速校正各子光束的光程。基于電光、聲光或光纖拉伸效應的相位調制器需要滿足：
- 高響應速度（MHz至GHz量級）以抑制高頻擾動。
- 足夠的調制范圍（數個波長）。
- 低插入損耗和高功率耐受能力。集成在光纖內部的器件（如光纖拉伸器）更具工程應用優勢。
- 快速控制電子系統：將探測器信號處理、控制算法（如PID、自適應優化算法）執行和驅動信號生成集成一體的專用電子控制系統。其核心是高速數模/模數轉換器和實時處理單元（如FPGA），算法的效率與魯棒性直接決定鎖相精度和速度。
四、 熱管理與結構集成器件
高功率運行下，所有光學元件、增益光纖和耦合點都會產生熱量。因此，研發高效的微通道水冷裝置、高熱導率封裝材料（如氮化鋁、金剛石薄膜）和低熱膨脹系數支撐結構至關重要。將上述多個功能元件進行單片集成或模塊化封裝，是提高系統穩定性、減小體積、便于工程化應用的重要趨勢。例如，將分束DOE、合束光柵與冷卻基底一體化設計制造。
與展望
光纖激光器自成像腔相干組束技術的成熟與應用，是一個多學科交叉的系統工程。其性能瓶頸往往不在于原理，而在于材料、工藝和器件水平。未來研發將更側重于：
- 元件性能的極致化：追求更高的損傷閾值、衍射效率與熱穩定性。
- 系統的集成化與智能化：通過光子集成或混合集成技術，將分束、相位探測與調制等功能單元緊湊集成；結合先進控制算法，使系統具備更強的環境自適應能力。
- 新原理與新材料的探索：如利用超表面實現超薄、多功能的光場調控，或開發新型非線性晶體用于高效波長轉換以擴展組束激光的波段。
只有持續在核心元件與器件層面取得突破，才能推動光纖激光相干組束技術從實驗室走向更廣闊的工業加工、國防科技與科學前沿領域。
