光纤激光器相干组束技术是突破单根光纤激光器功率与亮度极限、实现高功率高光束质量激光输出的关键途径之一。其中，基于自成像腔的相干组束方案，因其结构相对紧凑、对相位控制要求具有一定容差性而备受关注。该技术的实用化进程，高度依赖于一系列高性能核心元件与器件的研发。本文将聚焦于此，探讨相关研发的关键方向与进展。
一、 核心光学元件：光束分割与合成
自成像腔相干组束的基础是腔内光束的自动分割与再合成，这离不开高性能衍射光学元件的支撑。
- 相位型衍射光学元件（DOE）：这是实现光束分割（如将一束光分为多路）或特定相位分布调制的核心。研发重点在于：
- 高损伤阈值：必须承受腔内高功率密度，通常需要采用熔石英等材料，并通过精密刻蚀或薄膜沉积工艺制作表面微结构。
- 高衍射效率：目标是使绝大多数光能量集中在设计级次（如用于分束的多个±1级），减少零级或其他杂散光损耗，这对于维持腔效率和光束质量至关重要。
- 低波前畸变：元件本身引入的像差应尽可能小，以避免破坏子光束间的相干性。
- 反射式合束器件：如衍射光栅或特殊设计的反射镜。尤其对于光谱组束或角度复用组束，高精度、高损伤阈值的反射式体布拉格光栅（VBG）或透射式光栅是关键。研发需关注其波长选择性、角度选择性以及在高功率下的热稳定性与热致畸变控制。
二、 关键有源与增益器件
- 高亮度增益光纤：组束系统的最终亮度受限于单个子通道的亮度。因此，研发大模场面积（LMA）同时保持单模或低阶模运转的抗弯折增益光纤是基础。光子晶体光纤、沟槽辅助型光纤等特种光纤在此领域展现出潜力，它们能在增大模场的同时有效抑制高阶模。
- 高性能泵浦合束器：为多个增益光纤高效泵浦，需要研发多端口、低损耗、高功率承受能力的泵浦合束器（泵浦光耦合器）。其热管理设计和材料（如无源光纤的匹配）直接影响系统的长期稳定性和可扩展性。
三、 相位探测与控制器件
尽管自成像腔具有一定的相位自调整能力，但在实际运行中，尤其是面对环境扰动和热效应时，主动相位控制（锁相）仍是实现稳定、高效相干合成的必要补充。
- 高带宽、高灵敏度相位探测器：需要能够实时探测多路子光束间的微小相位差。外差探测、多抖动法等对应的光电探测器件需要高带宽和低噪声特性。集成化的光学相位传感器芯片也是研发方向之一。
- 高速相位调制器：用于根据相位误差信号快速校正各子光束的光程。基于电光、声光或光纤拉伸效应的相位调制器需要满足：
- 高响应速度（MHz至GHz量级）以抑制高频扰动。
- 足够的调制范围（数个波长）。
- 低插入损耗和高功率耐受能力。集成在光纤内部的器件（如光纤拉伸器）更具工程应用优势。
- 快速控制电子系统：将探测器信号处理、控制算法（如PID、自适应优化算法）执行和驱动信号生成集成一体的专用电子控制系统。其核心是高速数模/模数转换器和实时处理单元（如FPGA），算法的效率与鲁棒性直接决定锁相精度和速度。
四、 热管理与结构集成器件
高功率运行下，所有光学元件、增益光纤和耦合点都会产生热量。因此，研发高效的微通道水冷装置、高热导率封装材料（如氮化铝、金刚石薄膜）和低热膨胀系数支撑结构至关重要。将上述多个功能元件进行单片集成或模块化封装，是提高系统稳定性、减小体积、便于工程化应用的重要趋势。例如，将分束DOE、合束光栅与冷却基底一体化设计制造。
与展望
光纤激光器自成像腔相干组束技术的成熟与应用，是一个多学科交叉的系统工程。其性能瓶颈往往不在于原理，而在于材料、工艺和器件水平。未来研发将更侧重于：
- 元件性能的极致化：追求更高的损伤阈值、衍射效率与热稳定性。
- 系统的集成化与智能化：通过光子集成或混合集成技术，将分束、相位探测与调制等功能单元紧凑集成；结合先进控制算法，使系统具备更强的环境自适应能力。
- 新原理与新材料的探索：如利用超表面实现超薄、多功能的光场调控，或开发新型非线性晶体用于高效波长转换以扩展组束激光的波段。
只有持续在核心元件与器件层面取得突破，才能推动光纤激光相干组束技术从实验室走向更广阔的工业加工、国防科技与科学前沿领域。
