据中国激光杂志社网，于2023年09月17日报道， 值此国防科技大学建校70周年之际，《光学学报》联合《Chinese Optics Letters》编辑部精心策划了 “国防科技大学建校70周年”纪念专辑，并于2023年43卷第17期顺利出版！其中，国防科技大学周朴研究员团队特邀综述“主动相位控制光纤激光相干合成技术研究”被选为本期封面文章。
封面解析：封面展示了光纤激光相干合成的基本原理：构建模块化的光纤激光相干阵列，实现激光阵列的相干合成，是突破单路光纤激光的物理限制，获得高功率高光束质量激光输出的有效方法。此外，结合目标在回路技术，能够补偿大气湍流引起的波前畸变；通过对各路激光的相位调控，可以生成涡旋光束、矢量光束等特殊光束。
《光学学报》2023年第17期封面文章| 周朴, 粟荣涛, 马阎星, 吴坚, 马鹏飞, 李灿, 王小林, 冷进勇, 张雨秋, 任帅, 常洪祥, 龙金虎, 王涛, 蒋敏, 李俊. 主动相位控制光纤激光相干合成技术研究[J]. 光学学报, 2023, 43(17): 1700001.
导读：主动相位控制光纤激光相干合成是突破单束光纤激光功率极限，实现更高功率输出的同时保持高光束质量的有效技术途径。本文结合国内外研究进展，介绍了近20年来，国防科技大学相干合成课题组在相关领域取得的代表性成果，并对未来发展方向进行了分析研判。
1.背景介绍
光纤激光相干合成是突破单路光纤激光的物理限制，获得高功率、高光束质量激光输出的有效方法。根据相位控制的实现方式，相干合成主要有主动相位控制和被动相位控制两大类，研究人员采用主动相位控制方法已取得了许多具有代表性的高功率实验结果。国防科技大学是国内较早开展光纤激光相干合成研究工作的单位之一，迄今已有近20年的历程，研究工作基本覆盖了光纤激光相干合成涉及的各个方面。因此本文将聚焦光纤激光主动相位控制相干合成技术，以国防科技大学相关研究成果为基础，从关键器件、激光参数控制、光束拼接、系统集成、相干合成新技术与新应用等方面进行介绍。
2.研究进展
2.1关键器件
主动相位控制相干合成系统的典型结构如图1所示，利用分束器将种子激光分为多路，每一路激光中由相位调制器（PM）、光纤延迟线（DL）、光纤放大器（AMP）和激光准直器（CO）等关键器件相连接，分别用于对激光进行活塞相位控制、光程差控制、光功率放大、倾斜控制和准直发射等。通常利用光束分光镜（BS1）提取小部分激光进行误差探测与校正，以获得良好的相干合成效果。
为了保证单路激光的高功率输出，必须研制其所需的高功率器件。针对这一需求，该团队先后研制了一系列相关高功率器件，包括500瓦级单频光纤放大器、500瓦级飞秒脉冲光纤放大器和7千瓦级窄线宽光纤放大器；基于压电陶瓷的高功率相位调制器；基于柔性铰链和基于悬臂梁的高功率自适应光纤准直器（AFOC），为高功率相干合成系统搭建奠定了基础。
2.2相关参数控制技术
在相位控制方面，提出了一系列新算法和新方法，主要包括高速高精度的单抖动算法和正交编码抖动算法，可实现大规模光纤激光相位控制的级联相位控制算法，可实现活塞与倾斜相位噪声同时、单步补偿的零差干涉法。此外，在国际上较早地提出采用深度学习方法进行相位控制。
在光程差控制方面，提出了一种高精度实时控制光程差方案，可有效补偿超快脉冲光纤放大器中热效应引起的光程差慢漂移；提出了基于光谱滤波实现光程和相位的解耦控制的方案，实现了宽光谱激光相干合成系统的高精度光程控制。
在倾斜控制方面，基于柔性铰链的自适应光纤准直器（AFOC），实现了公里级湍流大气环境下的光纤激光倾斜控制；研制了基于压电双晶片结构的紧凑性AFOC，能够实现大规模光纤激光的倾斜控制。
在离焦像差控制方面，研制了高功率离焦补偿型准直器，可实现离焦像差的有效补偿。
2.3光束合成技术
光束合成可以分为分孔径合成和共孔径合成两大类。在分孔径合成方面，提出了一种基于多面棱镜的光束合成方案，可以通过准直透镜组与多面棱镜组成的“单一准直器”对阵列光束进行准直，提出的基于棒状透镜准直器的阵列光束拼接方案，可以实现大规模的高功率光纤激光相干合成。在共孔径合成方面，基于相干偏振合成技术将4路光纤激光合为一束，总功率5.02 kW，合成效率93.8％，合成激光光束质量M2<1.3。
2.4系统集成
在高功率光纤激光相干合成方面，2010年，该团队实现了9路总功率1.08 kW的光纤激光相干合成，是国际上光纤激光相干合成突破千瓦的首次报道；之后分别在2012年，2020年和2021年实现了9路2 kW级、7路7.1 kW和19路21.6 kW的功率输出，21.6 kW是当时国际上公开报道的光纤激光相干合成系统最高输出功率值。
在大数目光纤激光相干合成方面，从2014年开始至2020年，该团队将光纤激光相干合成的路数从32路提升到了107路，107路为当时公开报道的光纤激光相干合成最高路数。2022年，基于零差干涉法实现了397路激光的高效活塞相位补偿；2023年，将相位控制的阵元数目进一步提升至1027路（图2），为国际上公开报道的光纤激光相干合成系统最大控制单元数目。
在脉冲光纤激光相干合成方面，该团队在2013年实现了7路1.2 kW平均功率的纳秒脉冲激光的相干合成；在2018年实现了2路飞秒脉冲光纤激光的相干偏振合成，平均功率313 W，脉冲宽度827 fs；2022年，基于光纤拉伸器锁相，实现了2路10.9 W飞秒激光相干偏振合成。
在目标在回路相干合成方面，2012年和2013年，先后实现了2路和9路10 W级光纤激光的目标在回路相干合成。随后，针对高功率光纤激光阵列应用需求，研制了基于柔性铰链的AFOC，并于2018年实现了公里级目标在回路相干合成。
2.5内部锁相相干合成技术
在传统的相干合成系统中，通常利用分光镜提取小部分合成光束作为信号光，用于解算各路激光之间的相位差，一般称之为外部锁相方法。内部锁相方法在激光阵列形成之前完成相位探测与相位锁定，具有结构紧凑、便于路数扩展等优势。
该团队提出了基于空间结构的内部锁相技术方案，实现了7路光纤激光阵列内部锁相相干合成，验证了其长期稳定工作的可行性。同时提出了级联内部锁相技术方案，并开展12路光纤激光相干合成实验，验证了该方案的路数扩展能力；近期，实现了3路1.5 kW总功率的光纤激光阵列内部锁相相干合成，并验证了该方案的功率提升潜力。
另外，该团队还提出了基于全光纤网络的内部锁相技术方案，先后实现了2路和3路全光纤结构的内部相位控制，同时提出了大数目全光纤网络相干阵列内部锁相方法，论证了该方法具备极大的路数扩展能力。
2.6光场调控技术
在涡旋光束生成技术方面，基于光纤激光相干合成实验平台产生了拓扑荷数为+1和-1的涡旋光束；并通过激光阵列占空比调制产生了阵列涡旋光束。近期，针对高功率涡旋光束的应用需求，通过6路高功率光纤激光阵列内部锁相相干合成，首次产生了总功率超过1.5 kW的涡旋光束。
在矢量光场调控技术方面，通过将两种正交偏振LP11光纤模式进行相干叠加，产生了纯度大于95%的高纯度的矢量光束；此外，还建立了基于光纤激光相干合成的柱矢量光束紧聚焦的理论模型，实验验证了其紧聚焦特性。
3.总结与展望
随着合成方法、控制器件、关键技术的不断发展以及多学科深度交叉融合，基于相干合成的高性能激光系统不断被研制成功，并且具备光场调控的多元化功能。本文涉及的相关领域已经逐步从“激光相干合成”走向“相干合成激光”，从而实现对激光的赋能。未来有望在以下几个方面取得新的进展：一是实现可见光、中红外等“特殊”波段光纤激光系统的功率提升；二是具备更加灵巧的光场调控能力、加速在先进制造等领域的应用；三是助力半导体激光、超快激光行业的跨越式发展。
国防科技大学开展主动相位控制光纤激光相干合成研究已有近20年的历程，科研成果不断进入《物理光学》《高能激光技术前沿》等本科生、研究生课程，一大批研究生成为科研的“生力军”，毕业后成长为教学、科研、管理等岗位的骨干，为学校光学工程学科在新一轮学科评估中取得历史性突破做出了突出贡献。未来，激光相干合成研究将继续坚持科技、教育、人才一体发展的理念，为我国在相关领域保持并跑、领跑状态而不懈努力。
主要作者
周朴，国防科技大学研究员、博士生导师
全国优秀博士学位论文作者，“王大珩光学奖中青年科技人员光学奖”获得者，第十二届全国青联委员，第十三届全国青联委员、常委，教育部科技委学部委员，《中国激光》副主编。目前主要从事科研管理以及激光等领域的科研、人才培养、教学和战略研究工作，在光纤激光、光束合成等方向以及相关交叉学科领域取得创新研究成果。入选国家级高层次人才计划和军队高层次人才工程。
粟荣涛，国防科技大学前沿交叉学科学院副研究员、硕士生导师
全国光学工程学科优秀博士学位论文作者。目前主要从事光纤激光和光束控制等研究工作。
