什么是相干光束组合？
相干光束组合是一种有用的技术，它可以将高功率激光束组合起来，以获得光束质量保持不变、亮度增加、功率增加的单光束。1 科学家将激光束组合在一起，因为单个激光器的输出受到非线性效应的限制，包括但不限于光纤激光器中的受激拉曼散射 (SRS)。2 该技术使研究人员能够绕过这些限制，从而使他们在空间或时间上组合多束光束，以增加连续激光器的平均功率和脉冲激光系统的峰值功率，同时保持光束质量。3
为什么研究人员要使用相干光束组合？
相干光束组合有多种应用，例如基于激光的防御、地对星通信、功率传输、清洁能源发电、材料加工等。4 例如，一个名为 星际探索定向推进（DEEP IN）如图 1 所示，该方案建议使用定向能推进技术探索其他星球，可能使航天器以高达光速 30% 的速度飞行。这将使 220 磅（100 公斤）的探测器通过光子推进技术在短短三天内到达火星。光子推进技术利用相干光束组合向充当太阳帆的反射面发射激光，当激光被反射时，将少量动能转移到表面。5
图 1：DEEP IN 探测器的图形表示，摘自 NASA.gov
理解相位相干性
什么是连贯性？
相干性描述的是两个具有固定相位关系且“同相”的电磁波。例如，由于这种相位关系，两束相干激光束可以相互干涉。6 这使得激光通道的峰值功率超过了传统单个激光源或非相干源所能达到的功率，如图 2 所示。7
图 2：激光通道相干（全部同相）或非相干（异相）时的峰值功率比较。
如何实现相干光束组合？
科学家可以使用相位计等仪器将多束激光相互锁相，从而实现多束激光之间的相位相干性。该设备可以精确测量信号相位，精确到 µ 周期，从而实现极高精度的锁定。然后，用户可以选择输出与输入相位锁定的信号。相位计等仪器可以帮助科学家实现精确的光学相位控制。
使用相位计测量和锁定相位
相位计是一种测量相位的仪器。数字实现的相位计 莫库相位计 测量最多四个输入信号相对于参考时钟的相位，精度优于 6 µ弧度。借助内置实时图表，您可以使用这款基于 FPGA 的多功能仪器测量输入通道的相干性并实时查看数据。实现光束间相位相干性的一种方法是使用光学锁相，这是一种将频率和相位特性从一束光束转移到另一束光束的技术。 为了实现光束之间的相位相干性，首先要测量激光器之间的相位差。接下来，引入反馈系统来修改其中一个激光器的频率，以保持稳定的相位差。图 3 显示了简化的光学偏移相位锁定系统，其中详细介绍了参考激光器和受控激光器。激光器组合在一起，照亮光电探测器。这会产生一个以两个激光器的差频振荡的信号——一个拍音。
图 3：简化的光学偏移锁相系统。8 在这个例子中，Moku 相位计从拍音中提取相位信息并将其反馈给受控激光器，以消除激光器之间的差异，实现光束之间的稳定相位锁定。
结语
随着激光性能逐渐接近实际极限，我们必须寻找继续进步的方法。相干光束合成或定向能量技术使我们能够超越单束激光的性能——无论是在亮度还是功率方面。通过使用相位计，科学家可以测量激光源的相位并有效地锁定它们，从而实现相位相干，并使光束发生相长干涉。欲了解更多信息，请访问…… 莫库相位计， 安排一个 演示 和一名工程师。
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案例
[1] R. Paschotta，“相干光束合成”，2007 年 1 月，doi：https://doi.org/10.61835/89t。可获取： https://www.rp-photonics.com/coherent_beam_combining.html[访问日期：2024年5月21日] [2] B. He 等人，“来自两个光纤激光器的高功率相干光束组合”，《光学快报》，第14卷，第7期，第2721-2721页，2006年1月，doi： https://doi.org/10.1364/oe.14.002721 [3] A. Klenke 等人，“超快光纤激光器的相干光束合成”，IEEE 量子电子学专题期刊，第 24 卷，第 5 期，第 1-9 页，2018 年 9 月，doi： https://doi.org/10.1109/jstqe.2018.2808540 [4] “相干光束合成 – PowerPhotonic”，2023 年 6 月 25 日。可获取： https://www.powerphotonic.com/coherent-beam-combining/. [访问日期：2024年5月22日] [5] J. Bennett，“光子推进技术可在短短3天内将航天器送往火星”，《大众机械》，2016年2月24日。可获取： https://www.popularmechanics.com/space/deep-space/a19604/nasa-physicists-say-photonic-propulsion-could-send-a-spacecraft-to-mars-in-3-days/ [6] TL GmbH，“激光束的相干性或相位平衡”，Trotec Laser GmbH。可获取： https://www.troteclaser.com/en-us/learn-support/helpcenter/coherence-or-phase-balance-laser-beam[访问日期：2024年5月21日] [7] 相干光束合成原理。Qinetiq。可获取： https://www.qinetiq.com/-/media/1a948172dcd9419e9976e2f246a0e7fa.ashx?ver=7e99a5c1492549cb92190b5e67ea134f [8] “激光频率偏移锁定”，《液体仪器》，2021年9月2日。可获取： https://liquidinstruments.com/laser-frequency-offset-locking/. [访问日期：11 年 2024 月 XNUMX 日]