A szálas lézerek teljesítmény- és energianövelését főként négy tényező korlátozza: nemlineáris hatások, hőhatások, optikai károsodások és szivattyúzási korlátok. Ezért az egyetlen szál átlagos teljesítményének és impulzusenergiájának határai vannak. A koherens szintézis technológia hatékony eszköz e határ áttörésére. Az 1. ábra mutatja a fő kutatási tartalmat ezen a területen.
Az inkoherens szintézis nem garantálja a szintetizált sugár koherenciáját, csak a lézerek térbeli szuperpozícióját valósítja meg. Az eszköz viszonylag egyszerű, az alkalmazási forgatókönyv pedig főleg lézerfegyvereket tartalmaz. Az inkoherens szintézis alapvetően három típusra oszlik: párhuzamos szintézis, passzív eszközszintézis és spektrális szintézis. A párhuzamos szintézis során a lézer kimeneti végei egymás mellett vannak elrendezve, és a kimenő sugár kisebb területen, távolról ér el nagyobb átlagos teljesítményt. A passzív eszközszintézis több lézert szintetizál eggyé olyan eszközökön keresztül, mint a polarizációs sugárosztók és a sugárkombinátorok. A spektrális szintézis több keskeny sávszélességű folytonos fény szintézisét jelenti, amelyet többnyire térfogati Bragg-rácsok, dikroikus tükrök, szűrők, diffrakciós prizmák vagy prizmák egészítenek ki.
A koherens szintézis során biztosítani kell, hogy minden lézernek azonos fázisa, optikai útja, teljesítménye, polarizációja, sugárátmérője és tériránya legyen. A 2. ábra a koherens szintézis rendszer vázlatos diagramja, amely főként négy részre osztható: nyalábosztó/nyalábkombináló, mag/erősítő, fáziszárás és késleltetési reteszelés.
A koherens kombinálás négy paraméterrel mérhető: sugárminőség, Strehl-arány, kombinált hatásfok és fényerő. A sugárminőség a kombinált fény és a Gauss-sugár közötti hasonlóságra utal, amelyet az M2 sugárminőségi tényező fejez ki. Minél közelebb van az M2 az 1-hez, annál jobb a sugárminőség. A Strehl arány a kombinált fény csúcsteljesítményének az ideális csúcsteljesítményhez viszonyított arányát jelenti tökéletes fázisillesztés mellett. Ez összefügg a fáziszárási helyzettel és a rekeszkitöltési tényezővel. A nyíláskitöltési tényező a sugárnyaláb apertúra területének és az egyesítendő tömb teljes területének arányára vonatkozik.
Minél kisebb a fáziseltérés, annál nagyobb a nyíláskitöltési tényező, annál nagyobb a Strehl-arány, és minél közelebb van a koherens kombinálás az ideális állapothoz. A kombinálás hatékonysága az egyesített fényteljesítmény és az egyes csatornák kombinálás előtti összteljesítményének aránya. Minél közelebb van az arány 1-hez, annál ideálisabb. A fényerő a kimenő teljesítményhez, a hullámhosszhoz és a sugárminőséghez kapcsolódik, amint azt az 1. képlet mutatja, ahol C a nyaláb alakjára vonatkozó együttható, és C a Gauss-nyalábnak megfelelő 1. A kombinált sugár fényereje a sugár szorzata. a hatékonyság, a kombinált csatornák számának és egyetlen csatorna fényerejének kombinálása.
A sugárosztó/kombináló típusa alapján a koherens szintézis két típusra osztható: csempézett nyílásra és töltött nyílásra. A csempézett apertúra szintézis nyíláskitöltési tényezője 1-nél kisebb, ami négyféle eszközzel érhető el: kollimátor tömb, mikrolencse tömb, szálköteg és többmagos szál. A 3. ábra a fényintenzitás eloszlásának szimulációs eredményeit mutatja különböző terjedési távolságokon kollimátor tömb használata esetén a szintézishez. Minél kompaktabb a kollimátor elrendezés, minél közelebb van a nyíláskitöltési tényező 1-hez, annál jobb a szintézishatás, és az elméleti határhatékonyság 76% [2]. A csempézett nyílásszintézis eszköze egyszerűbb, de a szintézis hatékonysága alacsonyabb.
A kitöltött nyílás szintézis kitöltési tényezője 1, és a szintézis hatékonysága viszonylag magas. Négy típusra osztható: polarizációs szintézis, intenzitásszintézis, diffrakciós szintézis és reflexiós szintézis, amint az a 4. ábrán látható. A polarizációs szintézis polarizációs nyalábosztó vagy vékonyfilmes polarizátor használatát jelenti két ortogonálisan polarizált fénysugár szintetizálására. egybe, és a szintézis utak száma kaszkád struktúrával növelhető. Az intenzitásszintézis arra a módszerre utal, amikor intenzitásnyaláb-osztót használnak két azonos teljesítményű fényút egyetlen pályává szintetizálására, és az üresjárati fényport interferenciája fáziszárással érhető el, és többutas szintézis is elérhető kaszkád szerkezet.
A polarizációs szintézishez képest az intenzitásszintézis alkalmas nagyobb átlagos teljesítményű alkalmakra. A diffrakciós szintézis diffrakciós optikai eszközöket, például rácsokat és prizmákat használ, hogy a különböző diffrakciós sorrendnek megfelelő szögekben beeső fényt egyetlen nyalábban szintetizálja. Egy kétlépcsős sorozatstruktúra használható a szintézis dimenziójának egy dimenzióról két dimenzióra való kiterjesztésére az N × N szintézis elérése érdekében. A diffrakciós szintézis erejét a termikus hatások korlátozzák. A reflexiós szintézist egy sziromtükör segítségével érik el. A sziromtükör különböző területei eltérő visszaverőképességgel és áteresztőképességgel rendelkeznek. A koherens szintézis a beeső fény és a visszavert fény közötti destruktív interferenciával valósul meg a visszavert fény irányában. Az egyes részek reflexióssága sajátos értékkel bír. A kétdimenziós szintézis másodlagos struktúrán keresztül is megvalósítható.
Ezenkívül létezik hibrid rekeszszintézis, amely mikrolencsés tömbökön alapul. A fénysugarat kettéosztják és szintetizálják két mikrolencse-tömbön és egy lencsén keresztül. A szintetizált nyaláb helyzete az egyes nyalábok fázisának szabályozásával állítható [3].
A hőhatások és a környezeti zavarok hatására minden jelnek van egy bizonyos fáziszaja, amely befolyásolja a szintetizált nyaláb minőségét és a szintézis hatékonyságát. Az 5. ábra a szintetizált fényfoltot mutatja a fáziszár be- és kikapcsolásakor, amikor a kollimátortömböt szintézisre használják. Látható, hogy a fáziszár kikapcsolásakor a szintézis hatás nagyon gyenge.
A fázisreteszelés aktív fáziszárásra és passzív fáziszárásra osztható. A passzív fáziszárás főként négy típust foglal magában: korezonáns üreges fázisreteszelést[4], fáziskonjugációt[5], önszerveződést[6] és evanszcens hullámcsatolást. A korezonáns üreges fázisreteszelés során a többszörös erősítésű szálak kimeneti végeit visszacsatolják egymáshoz, ami egyenértékű ugyanazon rezonáns üreg megosztásával, ezáltal fázisreteszelést érünk el. A fáziskonjugációs fázisreteszelésnél, amely fáziskonjugációs tükrökön alapul, a fázist időben megfordítják olyan nemlineáris hatások révén, mint a stimulált Brillouin-szórás, ezáltal kompenzálva a főerősítő fáziszajt. Az önszerveződő módú zárolásnál egy szálas Bragg rács és egy sugárosztó alkotja a Michelson interferométert az erősítők közötti csatolás eléréséhez, ezáltal a fázis reteszeléséhez. Az evaneszcens hullámcsatolás szupermódba kapcsolja a többcsatornás erősítőket, ezáltal koherenciát biztosít a csatornák között, és gyakran használják többmagos optikai szálakban.