Povećanje snage i energije vlaknastih lasera uglavnom je ograničeno četirima faktorima: nelinearnim učincima, toplinskim učincima, optičkim oštećenjem i ograničenjima pumpanja. Stoga, prosječna izlazna snaga i energija impulsa iz jednog vlakna imaju ograničenja. Tehnologija koherentne sinteze učinkovito je sredstvo za probijanje ove granice. Slika 1 prikazuje glavni sadržaj istraživanja u ovom području.
Nekoherentna sinteza ne jamči koherenciju sintetiziranog snopa, već samo ostvaruje superpoziciju lasera u prostoru. Uređaj je relativno jednostavan, a scenarij primjene je uglavnom lasersko oružje. Nekoherentna sinteza se uglavnom dijeli na tri vrste: paralelna sinteza, sinteza pasivnih uređaja i spektralna sinteza. U paralelnoj sintezi, izlazni krajevi lasera raspoređeni su jedan pored drugog, a izlazna zraka postiže veću prosječnu snagu u manjem području na udaljenosti. Pasivna sinteza uređaja sintetizira više lasera u jedan pomoću uređaja kao što su polarizacijski razdjelnici snopa i kombinirači snopa. Spektralna sinteza odnosi se na sintezu višestruke kontinuirane svjetlosti uskog pojasa u jednu, koja je uglavnom završena volumenskim Braggovim rešetkama, dikroičnim zrcalima, filtrima, difrakcijskim prizmama ili prizmama.
U koherentnoj sintezi potrebno je osigurati da svaki laser ima istu fazu, optički put, snagu, polarizaciju, promjer snopa i prostorni smjer. Slika 2 je shematski dijagram sustava koherentne sinteze, koji se uglavnom može podijeliti u četiri dijela: razdjelnik snopa/kombinator snopa, početno/pojačalo, zaključavanje faze i zaključavanje kašnjenja.
Koherentno kombiniranje može se mjeriti pomoću četiri parametra: kvaliteta snopa, Strehlov omjer, učinkovitost kombiniranja i svjetlina. Kvaliteta snopa odnosi se na sličnost između kombiniranog svjetla i Gaussovog snopa, što se izražava faktorom kvalitete snopa M2. Što je M2 bliže 1, to je kvaliteta zrake veća. Strehlov omjer odnosi se na omjer vršne snage kombiniranog svjetla i idealne vršne snage sa savršenim usklađivanjem faza. Povezan je sa situacijom faznog zaključavanja i faktorom punjenja otvora. Faktor punjenja otvora odnosi se na omjer površine otvora zrake i ukupne površine niza koji se kombinira.
Što je manja fazna neusklađenost, to je veći faktor punjenja otvora, to je veći Strehlov omjer i to je koherentno kombiniranje bliže idealnom stanju. Učinkovitost kombiniranja je omjer kombinirane snage svjetla i ukupne snage svakog kanala prije kombiniranja. Što je omjer bliži 1, to je idealniji. Svjetlina je povezana s izlaznom snagom, valnom duljinom i kvalitetom snopa, kao što je prikazano u formuli 1, gdje je C koeficijent povezan s oblikom snopa, a C koji odgovara Gaussovom snopu je 1. Svjetlina kombiniranog snopa je produkt kombinirajući učinkovitost, broj kombiniranih kanala i svjetlinu jednog kanala.
Na temelju tipa razdjelnika/kombinatora snopa, koherentna sinteza može se podijeliti u dvije vrste: popločani otvor i ispunjeni otvor. Faktor popunjavanja otvora blende sinteze popločanog otvora manji je od 1, što se može postići pomoću četiri vrste uređaja: niz kolimatora, niz mikroleća, snop vlakana i višejezgreno vlakno. Slika 3 prikazuje rezultate simulacije distribucije intenziteta svjetlosti na različitim udaljenostima širenja pri korištenju niza kolimatora za sintezu. Što je kompaktniji raspored kolimatora, što je faktor punjenja otvora bliži 1, to je učinak sinteze bolji, a teoretska granična učinkovitost je 76% [2]. Uređaj sinteze popločanog otvora je jednostavniji, ali je učinkovitost sinteze manja.
Faktor punjenja sinteze ispunjenog otvora je 1, a učinkovitost sinteze je relativno visoka. Može se podijeliti u četiri vrste: polarizacijska sinteza, sinteza intenziteta, sinteza difrakcije i sinteza refleksije, kao što je prikazano na slici 4. Polarizacijska sinteza odnosi se na upotrebu polarizacijskog razdjelnika zrake ili polarizatora tankog filma za sintezu dviju ortogonalno polariziranih svjetlosnih zraka u jedan, a broj putova sinteze može se povećati kaskadnom strukturom. Sinteza intenziteta odnosi se na metodu korištenja razdjelnika snopa intenziteta za sintetiziranje dviju staza svjetlosti iste snage u jednu stazu, a interferencija otvora praznog svjetla postiže se zaključavanjem faze, a sinteza više staza također se može postići putem kaskadnu strukturu.
U usporedbi s polarizacijskom sintezom, sinteza intenziteta prikladna je za prilike s većom prosječnom snagom. Difrakcijska sinteza koristi difrakcijske optičke uređaje, kao što su rešetke i prizme, za sintetiziranje svjetlosti koja pada pod kutovima koji odgovaraju različitim redovima ogiba u jednu zraku. Dvostupanjska serijska struktura može se koristiti za proširenje dimenzije sinteze s jedne dimenzije na dvije dimenzije kako bi se postigla N×N sinteza. Snaga difrakcijske sinteze ograničena je toplinskim učincima. Sinteza refleksije postiže se zrcalom latice. Različita područja zrcala latice imaju različitu refleksivnost i propusnost. Koherentna sinteza se postiže destruktivnom interferencijom između upadne svjetlosti i reflektirane svjetlosti u smjeru reflektirane svjetlosti. Reflektivnost svakog dijela ima određenu vrijednost. Dvodimenzionalna sinteza se također može postići kroz sekundarnu strukturu.
Uz to, postoji hibridna sinteza otvora blende temeljena na nizovima mikroleća. Svjetlosni snop se dijeli i sintetizira kroz dva niza mikroleća i leću. Položaj sintetiziranog snopa može se podesiti kontrolom faze svakog snopa [3].
Pod utjecajem toplinskih učinaka i poremećaja okoline, svaki signal ima određeni fazni šum, što utječe na kvalitetu sintetiziranog snopa i učinkovitost sinteze. Slika 5 prikazuje sintetiziranu svjetlosnu točku kada je fazno zaključavanje uključeno i isključeno kada se niz kolimatora koristi za sintezu. Može se vidjeti da kada je fazno zaključavanje isključeno, učinak sinteze je vrlo slab.
Fazno zaključavanje može se klasificirati u aktivno fazno zaključavanje i pasivno fazno zaključavanje. Pasivno fazno zaključavanje uglavnom uključuje četiri vrste: ko-rezonantno fazno zaključavanje šupljine[4], fazna konjugacija[5], samoorganizacija[6] i evanescent val sprezanje. Kod faznog zaključavanja ko-rezonantne šupljine, izlazni krajevi vlakana s višestrukim pojačanjem međusobno se vraćaju, što je jednako dijeljenju iste rezonantne šupljine, čime se postiže fazno zaključavanje. U zaključavanju faze fazne konjugacije, na temelju zrcala fazne konjugacije, faza je obrnuta u vremenu kroz nelinearne efekte kao što je stimulirano Brillouinovo raspršenje, čime se kompenzira fazni šum u glavnom pojačalu. U zaključavanju načina samoorganiziranja, vlaknasta Braggova rešetka i razdjelnik snopa koriste se za formiranje Michelsonovog interferometra za postizanje sprege između pojačala, čime se zaključava faza. Evanescent valno spajanje povezuje višekanalna pojačala u super modus, čime se postiže koherencija između kanala, a često se koristi u višejezgrenim optičkim vlaknima.