파이버 레이저의 출력 및 에너지 향상은 주로 비선형 효과, 열 효과, 광학 손상 및 펌핑 한계의 네 가지 요소에 의해 제한됩니다. 따라서 단일 광섬유에서 출력되는 평균 전력 및 펄스 에너지에는 한계가 있습니다. Coherent 합성 기술은 이러한 한계를 극복할 수 있는 효과적인 수단입니다. 그림 1은 이 분야의 주요 연구 내용을 보여준다.
비간섭성 합성은 합성된 빔의 일관성을 보장하지 않고, 공간에서 레이저의 중첩만을 실현합니다. 장치는 비교적 간단하며 적용 시나리오는 주로 레이저 무기입니다. 비간섭 합성은 주로 병렬 합성, 수동 소자 합성, 스펙트럼 합성의 세 가지 유형으로 구분됩니다. 병렬 합성에서는 레이저 출력 끝이 나란히 배열되고, 출력 빔은 멀리 있는 더 작은 영역에서 더 큰 평균 전력에 도달합니다. 수동소자합성은 편광빔분할기, 빔결합기 등의 장치를 통해 여러 개의 레이저를 하나로 합성하는 기술이다. 스펙트럼 합성은 여러 개의 협대역폭 연속광을 하나로 합성하는 것을 의미하며, 이는 대부분 체적 브래그 격자, 이색성 거울, 필터, 회절 프리즘 또는 프리즘에 의해 완성됩니다.
응집성 합성에서는 각 레이저가 동일한 위상, 광학 경로, 전력, 편광, 빔 직경 및 공간 방향을 갖도록 보장해야 합니다. 그림 2는 응집성 합성 시스템의 개략도이며 주로 빔 분할기/빔 결합기, 시드/증폭기, 위상 잠금 및 지연 잠금의 네 부분으로 나눌 수 있습니다.
일관성 있는 결합은 빔 품질, 스트렐 비율, 결합 효율성 및 밝기의 네 가지 매개변수로 측정할 수 있습니다. 빔 품질은 결합된 빛과 가우스 빔 사이의 유사성을 말하며, 빔 품질 계수 M2로 표현됩니다. M2가 1에 가까울수록 빔 품질이 높아집니다. Strehl 비율은 완벽한 위상 매칭을 통해 결합된 조명의 피크 전력과 이상적인 피크 전력의 비율을 나타냅니다. 이는 위상 잠금 상황 및 조리개 충전 계수와 관련이 있습니다. 조리개 채우기 계수는 결합할 어레이의 전체 영역에 대한 빔 조리개 영역의 비율을 나타냅니다.
위상 불일치가 작을수록 개구 충진 계수가 높아지고 Strehl 비율이 높아지며 일관된 결합이 이상적인 상태에 가까워집니다. 결합 효율은 결합 전 각 채널의 총 전력에 대한 결합된 광 전력의 비율입니다. 비율이 1에 가까울수록 이상적입니다. 밝기는 공식 1에 표시된 것처럼 출력 전력, 파장 및 빔 품질과 관련이 있습니다. 여기서 C는 빔 모양과 관련된 계수이고 가우스 빔에 해당하는 C는 1입니다. 결합된 빔의 밝기는 다음의 곱입니다. 결합 효율성, 결합된 채널 수 및 단일 채널의 밝기.
빔 분할기/결합기의 유형에 따라 간섭성 합성은 타일형 조리개와 채워진 조리개의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 타일식 애퍼처 합성의 애퍼처 충전 계수는 1 미만이며, 이는 콜리메이터 어레이, 마이크로렌즈 어레이, 파이버 번들 및 멀티 코어 파이버의 네 가지 유형의 장치를 통해 달성할 수 있습니다. 그림 3은 합성을 위해 콜리메이터 어레이를 사용할 때 다양한 전파 거리에서 광 강도 분포의 시뮬레이션 결과를 보여줍니다. 콜리메이터 배열이 더 콤팩트할수록 조리개 충전 계수가 1에 가까울수록 합성 효과가 더 좋아지고 이론적인 한계 효율은 76%입니다[2]. 타일형 조리개 합성 장치는 더 간단하지만 합성 효율이 더 낮습니다.
채워진 조리개 합성의 충전 계수는 1이며 합성 효율은 상대적으로 높습니다. 그림 4와 같이 편광 합성, 강도 합성, 회절 합성, 반사 합성의 네 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 편광 합성은 편광 빔 분할기 또는 박막 편광기를 사용하여 두 개의 직교 편광 광선을 합성하는 것을 말합니다. 하나로 통합되며, 캐스케이드 구조를 통해 합성 경로 수를 늘릴 수 있습니다. Intensity 합성은 Intensity Beam Splitter를 사용하여 동일한 전력을 갖는 두 개의 빛 경로를 하나의 경로로 합성하는 방식을 말하며, 아이들러 광 포트의 간섭은 위상 고정을 통해 이루어지며 다중 경로 합성도 가능합니다. 캐스케이드 구조.
편광 합성과 비교하여 강도 합성은 평균 전력이 더 높은 경우에 적합합니다. 회절 합성은 격자, 프리즘과 같은 회절 광학 장치를 사용하여 서로 다른 회절 차수에 해당하는 각도로 입사되는 빛을 하나의 빔으로 합성합니다. 2단계 직렬 구조를 사용하면 합성 차원을 1차원에서 2차원으로 확장하여 N×N 합성을 달성할 수 있습니다. 회절 합성의 힘은 열 효과에 의해 제한됩니다. 반사 합성은 꽃잎 거울을 통해 이루어집니다. 꽃잎 거울의 다른 영역은 반사율과 투과율이 다릅니다. 응집성 합성은 입사광과 반사광 방향의 반사광 사이의 상쇄 간섭을 통해 달성됩니다. 각 부품의 반사율에는 특정 값이 있습니다. 2차원 합성은 2차 구조를 통해서도 달성될 수 있습니다.
또한 마이크로렌즈 배열을 기반으로 한 하이브리드 조리개 합성도 있습니다. 광선은 두 개의 마이크로렌즈 어레이와 렌즈를 통해 분할 및 합성됩니다. 합성된 빔의 위치는 각 빔의 위상을 제어하여 조정할 수 있습니다[3].
열 효과와 환경 교란의 영향으로 각 신호에는 합성된 빔의 품질과 합성 효율에 영향을 미치는 특정 위상 노이즈가 있습니다. 그림 5는 콜리메이터 어레이를 합성에 사용할 때 위상 잠금을 켜고 끌 때 합성된 광점을 보여줍니다. 위상 잠금이 꺼지면 합성 효과가 매우 떨어지는 것을 볼 수 있습니다.
위상 잠금은 활성 위상 잠금과 수동 위상 잠금으로 분류될 수 있습니다. 수동 위상 잠금에는 주로 공진 공동 위상 잠금[4], 위상 공액[5], 자기 조직화[6] 및 소멸파 결합의 네 가지 유형이 포함됩니다. 공동 공진 공동 위상 잠금에서는 여러 이득 섬유의 출력 끝이 서로 피드백되며 이는 동일한 공진 공동을 공유하는 것과 동일하므로 위상 잠금이 달성됩니다. 위상 공액 위상 고정에서는 위상 공액 거울을 기반으로 유도 브릴루앙 산란과 같은 비선형 효과를 통해 위상이 시간에 따라 반전되어 주 증폭기의 위상 잡음을 보상합니다. 자기 조직화 모드 잠금에서는 파이버 브래그 격자와 빔 스플리터를 사용하여 Michelson 간섭계를 형성하여 증폭기 간의 결합을 달성함으로써 위상을 잠급니다. 소멸파 결합은 다중 채널 증폭기를 슈퍼 모드로 결합하여 채널 간의 일관성을 달성하며 다중 코어 광섬유에 자주 사용됩니다.