Η ισχύς και η ενεργειακή ενίσχυση των λέιζερ ινών περιορίζονται κυρίως από τέσσερις παράγοντες: μη γραμμικές επιδράσεις, θερμικές επιδράσεις, οπτικές βλάβες και όρια άντλησης. Επομένως, η μέση ισχύς και η παλμική ενέργεια εξόδου από μία μόνο ίνα έχουν όρια. Η τεχνολογία συνεκτικής σύνθεσης είναι ένα αποτελεσματικό μέσο για να ξεπεραστεί αυτό το όριο. Το Σχήμα 1 δείχνει το κύριο ερευνητικό περιεχόμενο σε αυτό το πεδίο.
Η ασυνάρτητη σύνθεση δεν εγγυάται τη συνοχή της συντιθέμενης δέσμης, αλλά πραγματοποιεί μόνο την υπέρθεση των λέιζερ στο διάστημα. Η συσκευή είναι σχετικά απλή και το σενάριο εφαρμογής είναι κυρίως όπλα λέιζερ. Η ασυνάρτητη σύνθεση χωρίζεται κυρίως σε τρεις τύπους: παράλληλη σύνθεση, παθητική σύνθεση συσκευής και φασματική σύνθεση. Σε παράλληλη σύνθεση, τα άκρα εξόδου λέιζερ είναι διατεταγμένα το ένα δίπλα στο άλλο και η δέσμη εξόδου φτάνει σε μεγαλύτερη μέση ισχύ σε μικρότερη περιοχή σε απόσταση. Η παθητική σύνθεση συσκευών συνθέτει πολλαπλά λέιζερ σε ένα μέσω συσκευών όπως διαχωριστές δέσμης πόλωσης και συνδυαστές δέσμης. Η φασματική σύνθεση αναφέρεται στη σύνθεση πολλαπλού συνεχούς φωτός στενού εύρους ζώνης σε ένα, το οποίο ολοκληρώνεται ως επί το πλείστον από σχάρες Bragg όγκου, διχρωμικούς καθρέφτες, φίλτρα, πρίσματα περίθλασης ή πρίσματα.
Σε συνεκτική σύνθεση, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι κάθε λέιζερ έχει την ίδια φάση, οπτική διαδρομή, ισχύ, πόλωση, διάμετρο δέσμης και χωρική κατεύθυνση. Το σχήμα 2 είναι ένα σχηματικό διάγραμμα του συστήματος συνεκτικής σύνθεσης, το οποίο μπορεί να χωριστεί κυρίως σε τέσσερα μέρη: διαχωριστής δέσμης/συνδυαστής δέσμης, σπόρος/ενισχυτής, κλείδωμα φάσης και κλείδωμα καθυστέρησης.
Ο συνεκτικός συνδυασμός μπορεί να μετρηθεί με τέσσερις παραμέτρους: ποιότητα δέσμης, αναλογία Strehl, συνδυασμός απόδοσης και φωτεινότητας. Η ποιότητα δέσμης αναφέρεται στην ομοιότητα μεταξύ του συνδυασμένου φωτός και της δέσμης Gauss, η οποία εκφράζεται από τον παράγοντα ποιότητας δέσμης M2. Όσο πιο κοντά είναι το M2 στο 1, τόσο υψηλότερη είναι η ποιότητα της δέσμης. Ο λόγος Strehl αναφέρεται στην αναλογία της μέγιστης ισχύος του συνδυασμένου φωτός προς την ιδανική μέγιστη ισχύ με τέλεια αντιστοίχιση φάσης. Σχετίζεται με την κατάσταση κλειδώματος φάσης και τον παράγοντα πλήρωσης διαφράγματος. Ο συντελεστής πλήρωσης διαφράγματος αναφέρεται στην αναλογία της περιοχής του ανοίγματος της δέσμης προς τη συνολική επιφάνεια της συστοιχίας που πρόκειται να συνδυαστεί.
Όσο μικρότερη είναι η αναντιστοιχία φάσης, τόσο υψηλότερος είναι ο συντελεστής πλήρωσης του διαφράγματος, τόσο υψηλότερος είναι ο λόγος Strehl και τόσο πιο κοντά είναι ο συνεκτικός συνδυασμός στην ιδανική κατάσταση. Η απόδοση συνδυασμού είναι ο λόγος της συνδυασμένης ισχύος φωτός προς τη συνολική ισχύ κάθε καναλιού πριν από το συνδυασμό. Όσο πιο κοντά είναι η αναλογία στο 1, τόσο πιο ιδανική είναι. Η φωτεινότητα σχετίζεται με την ισχύ εξόδου, το μήκος κύματος και την ποιότητα της δέσμης, όπως φαίνεται στον τύπο 1, όπου C είναι ένας συντελεστής που σχετίζεται με το σχήμα της δέσμης και C που αντιστοιχεί στη δέσμη Gauss είναι 1. Η φωτεινότητα της συνδυασμένης δέσμης είναι το γινόμενο του συνδυάζοντας την απόδοση, τον αριθμό των συνδυασμένων καναλιών και τη φωτεινότητα ενός καναλιού.
Ανάλογα με τον τύπο του διαχωριστή/συνδυαστή δέσμης, η συνεκτική σύνθεση μπορεί να χωριστεί σε δύο τύπους: διάφραγμα με πλακάκια και γεμιστό άνοιγμα. Ο συντελεστής πλήρωσης διαφράγματος της σύνθεσης ανοιγμάτων πλακιδίων είναι μικρότερος από 1, ο οποίος μπορεί να επιτευχθεί μέσω τεσσάρων τύπων συσκευών: συστοιχία collimator, διάταξη μικροφακών, δέσμη ινών και ίνα πολλαπλών πυρήνων. Το Σχήμα 3 δείχνει τα αποτελέσματα της προσομοίωσης της κατανομής της έντασης του φωτός σε διαφορετικές αποστάσεις διάδοσης όταν χρησιμοποιείται διάταξη collimator για σύνθεση. Όσο πιο συμπαγής είναι η διάταξη του ρυθμιστή, όσο πιο κοντά είναι ο συντελεστής πλήρωσης του ανοίγματος στο 1, τόσο καλύτερο είναι το αποτέλεσμα σύνθεσης και η θεωρητική οριακή απόδοση είναι 76% [2]. Η συσκευή σύνθεσης ανοιγμάτων πλακιδίων είναι απλούστερη, αλλά η απόδοση σύνθεσης είναι χαμηλότερη.
Ο συντελεστής πλήρωσης της σύνθεσης γεμισμένου ανοίγματος είναι 1 και η απόδοση σύνθεσης είναι σχετικά υψηλή. Μπορεί να χωριστεί σε τέσσερις τύπους: σύνθεση πόλωσης, σύνθεση έντασης, σύνθεση περίθλασης και σύνθεση ανάκλασης, όπως φαίνεται στο σχήμα 4. Η σύνθεση πόλωσης αναφέρεται στη χρήση ενός διαχωριστή δέσμης πόλωσης ή ενός πολωτή λεπτής μεμβράνης για τη σύνθεση δύο ορθογώνια πολωμένων δεσμών φωτός σε ένα, και ο αριθμός των μονοπατιών σύνθεσης μπορεί να αυξηθεί μέσω μιας δομής καταρράκτη. Η σύνθεση έντασης αναφέρεται στη μέθοδο χρήσης ενός διαχωριστή δέσμης έντασης για τη σύνθεση δύο διαδρομών φωτός με την ίδια ισχύ σε μία διαδρομή και η παρεμβολή της θύρας αδρανούς φωτός επιτυγχάνεται μέσω κλειδώματος φάσης και η σύνθεση πολλαπλών διαδρομών μπορεί επίσης να επιτευχθεί μέσω μια δομή καταρράκτη.
Σε σύγκριση με τη σύνθεση πόλωσης, η σύνθεση έντασης είναι κατάλληλη για περιπτώσεις με υψηλότερη μέση ισχύ. Η σύνθεση περίθλασης χρησιμοποιεί οπτικές συσκευές περίθλασης, όπως πλέγματα και πρίσματα, για τη σύνθεση του προσπίπτοντος φωτός σε γωνίες που αντιστοιχούν σε διαφορετικές τάξεις περίθλασης σε μία δέσμη. Μια δομή σειράς δύο σταδίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την επέκταση της διάστασης σύνθεσης από μια διάσταση σε δύο διαστάσεις για να επιτευχθεί σύνθεση N×N. Η ισχύς της σύνθεσης περίθλασης περιορίζεται από θερμικές επιδράσεις. Η σύνθεση ανάκλασης επιτυγχάνεται μέσω ενός καθρέφτη πετάλου. Διαφορετικές περιοχές του καθρέφτη των πετάλων έχουν διαφορετική ανακλαστικότητα και διαπερατότητα. Η συνεκτική σύνθεση επιτυγχάνεται μέσω καταστροφικής παρεμβολής μεταξύ του προσπίπτοντος φωτός και του ανακλώμενου φωτός προς την κατεύθυνση του ανακλώμενου φωτός. Η ανακλαστικότητα κάθε τμήματος έχει μια συγκεκριμένη τιμή. Η δισδιάστατη σύνθεση μπορεί επίσης να επιτευχθεί μέσω μιας δευτερεύουσας δομής.
Επιπλέον, υπάρχει σύνθεση υβριδικού διαφράγματος που βασίζεται σε συστοιχίες μικροφακών. Η δέσμη φωτός χωρίζεται και συντίθεται μέσω δύο συστοιχιών μικροφακών και ενός φακού. Η θέση της συνθετικής δέσμης μπορεί να ρυθμιστεί ελέγχοντας τη φάση κάθε δέσμης [3].
Υπό την επίδραση των θερμικών επιδράσεων και των περιβαλλοντικών διαταραχών, κάθε σήμα έχει έναν συγκεκριμένο θόρυβο φάσης, ο οποίος επηρεάζει την ποιότητα της συντιθέμενης δέσμης και την απόδοση σύνθεσης. Το Σχήμα 5 δείχνει τη συνθετική φωτεινή κηλίδα όταν το κλείδωμα φάσης ενεργοποιείται και απενεργοποιείται όταν η διάταξη ρυθμιστή χρησιμοποιείται για σύνθεση. Μπορεί να φανεί ότι όταν το κλείδωμα φάσης είναι απενεργοποιημένο, το αποτέλεσμα σύνθεσης είναι πολύ φτωχό.
Το κλείδωμα φάσης μπορεί να ταξινομηθεί σε κλείδωμα ενεργού φάσης και παθητικό κλείδωμα φάσης. Το παθητικό κλείδωμα φάσης περιλαμβάνει κυρίως τέσσερις τύπους: κλείδωμα φάσης συν-συντονιστικής κοιλότητας[4], σύζευξη φάσης[5], αυτοοργάνωση[6] και σύζευξη παροδικού κύματος. Στο κλείδωμα φάσης της κοιλότητας συν-συντονισμού, τα άκρα εξόδου των ινών πολλαπλών απολαβών τροφοδοτούνται πίσω μεταξύ τους, κάτι που ισοδυναμεί με κοινή χρήση της ίδιας κοιλότητας συντονισμού, επιτυγχάνοντας έτσι κλείδωμα φάσης. Στο κλείδωμα φάσης σύζευξης φάσης, με βάση τα κάτοπτρα σύζευξης φάσης, η φάση αντιστρέφεται χρονικά μέσω μη γραμμικών επιδράσεων όπως η διεγερμένη σκέδαση Brillouin, αντισταθμίζοντας έτσι τον θόρυβο φάσης στον κύριο ενισχυτή. Στο κλείδωμα λειτουργίας αυτόματης οργάνωσης, ένα πλέγμα Bragg ινών και ένας διαχωριστής δέσμης χρησιμοποιούνται για να σχηματίσουν ένα συμβολόμετρο Michelson για να επιτευχθεί σύζευξη μεταξύ των ενισχυτών, κλειδώνοντας έτσι τη φάση. Η σύζευξη παροδικών κυμάτων συνδέει τους πολυκάναλους ενισχυτές σε super mode, επιτυγχάνοντας έτσι συνοχή μεταξύ των καναλιών και χρησιμοποιείται συχνά σε πολυπύρηνες οπτικές ίνες.