La millora de la potència i l'energia dels làsers de fibra està restringida principalment per quatre factors: efectes no lineals, efectes tèrmics, danys òptics i límits de bombeig. Per tant, la potència mitjana i la sortida d'energia de pols d'una sola fibra tenen límits. La tecnologia de síntesi coherent és un mitjà eficaç per superar aquest límit. La figura 1 mostra els principals continguts de la recerca en aquest camp.
La síntesi incoherent no garanteix la coherència del feix sintetitzat, sinó que només realitza la superposició de làsers a l'espai. El dispositiu és relativament senzill i l'escenari d'aplicació són principalment armes làser. La síntesi incoherent es divideix principalment en tres tipus: síntesi paral·lela, síntesi de dispositiu passiu i síntesi espectral. En síntesi paral·lela, els extrems de sortida del làser estan disposats un al costat de l'altre i el feix de sortida assoleix una potència mitjana més gran en una àrea més petita a distància. La síntesi passiva de dispositius sintetitza diversos làsers en un a través de dispositius com ara divisors de feix de polarització i combinadors de feix. La síntesi espectral es refereix a la síntesi de múltiples llums contínues d'amplada de banda estreta en una sola, que es completa principalment amb reixes de Bragg de volum, miralls dicroics, filtres, prismes de difracció o prismes.
En una síntesi coherent, cal assegurar-se que cada làser tingui la mateixa fase, camí òptic, potència, polarització, diàmetre del feix i direcció espacial. La figura 2 és un diagrama esquemàtic del sistema de síntesi coherent, que es pot dividir principalment en quatre parts: divisor de feix / combinador de feix, llavor / amplificador, bloqueig de fase i bloqueig de retard.
La combinació coherent es pot mesurar mitjançant quatre paràmetres: qualitat del feix, relació Strehl, combinant eficiència i brillantor. La qualitat del feix es refereix a la similitud entre la llum combinada i el feix gaussià, que s'expressa pel factor de qualitat del feix M2. Com més a prop estigui M2 a 1, més gran serà la qualitat del feix. La relació Strehl es refereix a la relació entre la potència màxima de la llum combinada i la potència màxima ideal amb una concordança de fase perfecta. Està relacionat amb la situació de bloqueig de fase i el factor d'ompliment de l'obertura. El factor d'ompliment de l'obertura es refereix a la relació entre l'àrea d'obertura del feix i l'àrea total de la matriu que s'ha de combinar.
Com més petit sigui el desajust de fase, més gran és el factor d'ompliment de l'obertura, més gran és la relació Strehl i més propera és la combinació coherent a l'estat ideal. L'eficiència de combinació és la relació entre la potència de la llum combinada i la potència total de cada canal abans de la combinació. Com més propera estigui la proporció a 1, més ideal és. La brillantor està relacionada amb la potència de sortida, la longitud d'ona i la qualitat del feix, tal com es mostra a la fórmula 1, on C és un coeficient relacionat amb la forma del feix, i C corresponent al feix gaussià és 1. La brillantor del feix combinat és el producte de la combinant l'eficiència, el nombre de canals combinats i la brillantor d'un sol canal.
Segons el tipus de divisor/combinador de feix, la síntesi coherent es pot dividir en dos tipus: obertura de rajoles i obertura plena. El factor d'ompliment de l'obertura de la síntesi d'obertura de rajoles és inferior a 1, cosa que es pot aconseguir mitjançant quatre tipus de dispositius: matriu de col·limadors, matriu de microlents, paquet de fibres i fibra multinucli. La figura 3 mostra els resultats de la simulació de la distribució de la intensitat de la llum a diferents distàncies de propagació quan s'utilitza la matriu de col·limadors per a la síntesi. Com més compacte sigui la disposició del col·limador, més proper és el factor d'ompliment de l'obertura a 1, millor serà l'efecte de síntesi i l'eficiència del límit teòric és del 76% [2]. El dispositiu de síntesi d'obertura de rajoles és més senzill, però l'eficiència de síntesi és menor.
El factor d'ompliment de la síntesi d'obertura plena és 1 i l'eficiència de la síntesi és relativament alta. Es pot dividir en quatre tipus: síntesi de polarització, síntesi d'intensitat, síntesi de difracció i síntesi de reflexió, tal com es mostra a la figura 4. La síntesi de polarització es refereix a l'ús d'un divisor de feix de polarització o d'un polaritzador de pel·lícula fina per sintetitzar dos raigs de llum polaritzats ortogonalment. en un, i el nombre de camins de síntesi es pot augmentar mitjançant una estructura en cascada. La síntesi d'intensitat es refereix al mètode d'utilitzar un divisor de feix d'intensitat per sintetitzar dos camins de llum amb la mateixa potència en un camí, i la interferència del port de la llum inactiva s'aconsegueix mitjançant el bloqueig de fase, i la síntesi de camins múltiples també es pot aconseguir mitjançant una estructura en cascada.
En comparació amb la síntesi de polarització, la síntesi d'intensitat és adequada per a ocasions amb una potència mitjana més alta. La síntesi de difracció utilitza dispositius òptics de difracció, com ara reixes i prismes, per sintetitzar la llum incident en angles corresponents a diferents ordres de difracció en un feix. Es pot utilitzar una estructura de sèrie de dues etapes per ampliar la dimensió de síntesi d'una dimensió a dues dimensions per aconseguir la síntesi N × N. El poder de síntesi de difracció està limitat pels efectes tèrmics. La síntesi de reflex s'aconsegueix mitjançant un mirall de pètals. Les diferents àrees del mirall de pètals tenen diferents reflectivitats i transmitàncies. La síntesi coherent s'aconsegueix mitjançant la interferència destructiva entre la llum incident i la llum reflectida en la direcció de la llum reflectida. La reflectivitat de cada part té un valor específic. La síntesi bidimensional també es pot aconseguir mitjançant una estructura secundària.
A més, hi ha una síntesi d'obertura híbrida basada en matrius de microlents. El feix de llum es divideix i es sintetitza mitjançant dues matrius de microlents i una lent. La posició del feix sintetitzat es pot ajustar controlant la fase de cada feix [3].
Sota la influència dels efectes tèrmics i les pertorbacions ambientals, cada senyal té un determinat soroll de fase, que afecta la qualitat del feix sintetitzat i l'eficiència de la síntesi. La figura 5 mostra el punt de llum sintetitzat quan s'activa i desactiva el bloqueig de fase quan s'utilitza la matriu de col·limadors per a la síntesi. Es pot veure que quan el bloqueig de fase està desactivat, l'efecte de síntesi és molt pobre.
El bloqueig de fase es pot classificar en bloqueig de fase activa i bloqueig de fase passiu. El bloqueig de fase passiu inclou principalment quatre tipus: bloqueig de fase de cavitat corressonant[4], conjugació de fase[5], autoorganització[6] i acoblament d'ones evanescents. En el bloqueig de fase de la cavitat co-ressonant, els extrems de sortida de les fibres de guany múltiples es retroalimenten entre si, la qual cosa equival a compartir la mateixa cavitat ressonant, aconseguint així un bloqueig de fase. En el bloqueig de fase de conjugació de fase, basat en miralls de conjugació de fase, la fase s'inverteix en el temps mitjançant efectes no lineals com la dispersió de Brillouin estimulada, compensant així el soroll de fase a l'amplificador principal. En el bloqueig en mode d'autoorganització, s'utilitzen una reixa de Bragg de fibra i un divisor de feix per formar un interferòmetre de Michelson per aconseguir l'acoblament entre els amplificadors, bloquejant així la fase. L'acoblament d'ones evanescents acobla els amplificadors multicanal en un mode super, aconseguint així coherència entre els canals, i s'utilitza sovint en fibres òptiques multinucli.