二、光纤激光相干合成技术 国内技术短板

　　半导体激光器是指以半导体晶体材料为工作物质的激光器，具有体积小、寿命长、结构简单、可与集成电路单片集成等优点。早在1970年，美国Bell通讯实验室的J.E.Ripper等就观察到了2路GaAs激光通过倏逝波耦合产生锁相输出的实验现象。1975年，IBM公司的E.M.Philipp2Rutz利用倏逝波耦合实现了3路GaAs激光相干合成，输出功率达到了5W。1978年D.R.Scifres等实现了5路GaAs激光锁相输出。

　　进入20世纪80年代，半导体激光阵列相干合成技术进入了研究高潮期，倏逝波耦合，Talbot外腔耦合以及二元光学等技术的广泛应用使得半导体激光阵列得到了快速的发展。1994年，S.Sanders等利用Talbot外腔耦合获得了144路二维半导体激光锁相输出，激光功率为1.4W。

　　由于半导体激光的自身特性，激光的相位可以由电流或电压直接控制，无需辅助的相位控制器件。基于主动相位控制的半导体放大器阵列相干合成也逐渐引起了人们的关注。SDI公司的J.S.Osinski等实现了4路半导体放大器相干合成，输出平均功率为5W。原麦道公司的K.H.No等实现了100路，400路和900路半导体放大器相干合成，其中900路放大器相干合成时总输出功率为36W，系统结构如图6所示。值得说明的是，半导体放大器相干合成中控制的一般是静态相位畸变，系统在初始化完成后，各路放大器的相位在几天内都不会发生变化。

　　尽管单管半导体激光器在输出功率和光束质量等方面与其他类型的高能激光器相比没有优势，但是由于半导体激光器低成本、高效率、全固态、高可靠性等优势，其在军事领域的应用前景还是被普遍看好。半导体激光相干合成的计划至今仍在进行中，美国国防部高级研究计划局(DARPA)近年来连续启动相干合成高功率单模发射器(COCHISE)和高能半导体激光系统体系结构(ADHELS)等项目，旨在通过大功率、高效率的半导体激光阵列相干合成产生100kW量级的高亮度激光。

　　采用相位控制技术锁定各路激光的相位是实现相干合成的基本条件。相位控制技术可以分为主动相位控制和被动相位控制两大类。回顾并分析相干合成的发展历史不难发现，在光纤激光发展成大功率器件及其相干合成技术引起人们关注之前，各国学者已经对包括气体激光、化学激光、半导体激光、固体激光在内的各种类型激光光束相干合成开展了深入的研究。但实验结果在合成效率和数目可扩展性方面的性能并不令人满意。

　　对于外腔能量耦合、倏逝波耦合、SBS光学相位共轭等被动相位控制技术，以CO2激光相干合成为例，Antyukhov等利用Talbot外腔能量耦合实现的61路激光相干合成效率为15%，Bahanov等利用腔内空间滤波实现的55路激光相干合成，在输出功率为7kW时合成效率约为12%，最高的合成效率为Vasil--tsov利用腔内空间滤波实现的85路激光相干合成，在输出功率为500W时合成效率为40%。A.F.Glova等通过理论计算得出，被动相位控制相干合成效率不超过50%。

　　在数目扩展方面，大量实验结果表明，随着激光路数的增多，被动相位控制方案的锁相效果降低，甚至不能实现锁相输出，相干合成的效率也随着激光数目的增多而下降。较为常见的腔内空间滤波被动相位控制在理论上就存在合成效率随着激光数目增加而降低的不足。

　　另外，利用SBS相位共轭法实现化学激光、固体激光输出的理论和实验结果表明，对光路对准近乎苛刻的要求以及激发产生受激布里渊效应需要的高功率密度阻碍了其向实用化的发展。

　　除此之外，由于单台CO2激光器、化学激光器等本身结构就较为复杂，对于多路激光的被动相位控制，需要设计复杂的空间光路，实验系统设计和工程施行难度较大。被动相位控制相干合成还在系统复杂度、激光数目、合成效率等参数方面寻求平衡的过程中。对于主动相位控制相干合成技术，在其发展前期由于具备相位控制功能的能动器件在控制精度、响应速度及自动控制技术等都不满足要求，因此没有能够向大数目、高功率的方向发展，停留在理论探讨和概念性演示阶段。

　　20世纪90年代进行半导体激光放大器的主动相位控制取得了一定的实验效果，但停留在校正静态像差的层次。100路和900路放大器阵列合成功率为7.9W和36W，远不及工业加工和战术使用需要的量级。总体说来，相干合成技术取得的实验结果没有突破当时相应单链路激光的最大输出功率，因此效果不甚明显。

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