1 引言
高功率、高光束質量一直是固態(tài)激光器追求的目標，隨著高端工業(yè)應用、特別是潛在的軍事應用等需求的牽引，高功率、高光束質量的全固態(tài)激光器技術發(fā)展方興未艾。光纖激光器具備轉換效率高、光束質量好、熱管理簡單、使用靈活等一系列優(yōu)點，逐漸成為高功率全固態(tài)激光器技術研究的熱點。光纖激光器由于熱效應、非線性效應、光纖損傷、泵浦耦合、模場直徑等因素的限制，單纖單模的激光輸出被限制在了萬瓦量級，若要獲得更高功率水平，則需要采用多單元光束合束方式實現，目前發(fā)展較快的主要有相干合束( coherently combining) 和光譜合束( SBC spectral beam combining)。相干合束理論上可以無限合成功率，但由于單元光束空間分離( 填充因子) 的緣故，光束質量無法達到衍射極限，且對單元光束的相位穩(wěn)定度和控制精度要求極高，工程上實現難度較大； 光譜合束一般只能在增益介質的增益帶寬內有限合成功率，但設計相對簡單，對單元光束穩(wěn)定性和控制要求較低，同時又能實現衍射極限的光束質量，目前是光纖激光器實現高功率、高光束質量激光輸出的較好選擇。
2 光譜合束技術的原理
目前，光譜合束技術主要基于兩類色散元件，一種是體布拉格光柵( volume Bragg grating，VBG) ，一種是多層介質膜光柵( multilayer dielectric grating，MLDG) 。
體布拉格光柵合束的基本原理如圖1所示。
當一束平面波入射至一塊非傾斜( 光柵向量平行于光柵表面的法線方向) 的反射式體布拉格光柵上時，衍射效率可以由下式計算出來：
其中，λ0為光柵的中心波長，t 是光柵的厚度； nav是光柵介質的折射率平均值，光柵介質的折射率按正弦函數周期性變化； δn 是折射率調制的振幅； f 是光柵的空間頻率； Δλ 表示入射平面波與λ0的波長差。當平面波波長和入射至光柵的角度滿足波長λ0對應的布拉格條件，即Δλ = 0 時，獲得了最大的衍射效率η0，表示為：
對于體布拉格光柵而言，當入射光波長和角度滿足布拉格條件時，衍射效率獲得最大值，近似于1； 而對于其他偏離布拉格條件的波長而言，衍射效率近似為0。所以，如圖1 所示，當兩束具有一定波長差的光束以共軛的角度入射至光柵并在光柵上發(fā)生光斑重疊時，如果其中一束光λ1滿足布拉格條件而另一束光λ2在光柵上的衍射效率為0，那么波長λ1的光束以最大衍射效率發(fā)生衍射，而波長λ2的光束透射經過光柵。這樣，波長λ1和λ2的兩束光經過光柵作用后同軸輸出，即實現了波長不同的兩束光的同光路合束。以此類推，當存在N個中心波長不同的體布拉格光柵時，即可實現N + 1路不同波長光束的光譜合束。
多層介質膜光柵是一種平面光柵，其合束原理如圖2 所示。
式(3) 為平面衍射光柵的光柵方程：
其中，d 為光柵的縫距； θ1和θ2分別為光束的入射角度和衍射角度；m為衍射級次； λ為波長。由此可算出不同波長光束以同一衍射角度出射時對應的不同入射角度。
由于多層介質膜光柵的衍射主峰有一定的寬度，所以與衍射峰中心波長相差不大的其他波長，也可以在多層介質膜光柵上獲得很高的衍射效率。這樣，有一定波長差的多路光束，以不同的特定角度入射至多層介質膜光柵上的同一點，即可實現多路光束的同方向輸出，也就完成了多路光束的光譜合束。
