1 引言

　　高功率、高光束质量一直是固态激光器追求的目标，随着高端工业应用、特别是潜在的军事应用等需求的牵引，高功率、高光束质量的全固态激光器技术发展方兴未艾。光纤激光器具备转换效率高、光束质量好、热管理简单、使用灵活等一系列优点，逐渐成为高功率全固态激光器技术研究的热点。光纤激光器由于热效应、非线性效应、光纤损伤、泵浦耦合、模场直径等因素的限制，单纤单模的激光输出被限制在了万瓦量级，若要获得更高功率水平，则需要采用多单元光束合束方式实现，目前发展较快的主要有相干合束( coherently combining) 和光谱合束( SBC spectral beam combining)。相干合束理论上可以无限合成功率，但由于单元光束空间分离( 填充因子) 的缘故，光束质量无法达到衍射极限，且对单元光束的相位稳定度和控制精度要求极高，工程上实现难度较大； 光谱合束一般只能在增益介质的增益带宽内有限合成功率，但设计相对简单，对单元光束稳定性和控制要求较低，同时又能实现衍射极限的光束质量，目前是光纤激光器实现高功率、高光束质量激光输出的较好选择。

　　2 光谱合束技术的原理

　　目前，光谱合束技术主要基于两类色散元件，一种是体布拉格光栅( volume Bragg grating，VBG) ，一种是多层介质膜光栅( multilayer dielectric grating，MLDG) 。

　　体布拉格光栅合束的基本原理如图1所示。

　　当一束平面波入射至一块非倾斜( 光栅向量平行于光栅表面的法线方向) 的反射式体布拉格光栅上时，衍射效率可以由下式计算出来：

　　其中，λ0为光栅的中心波长，t 是光栅的厚度； nav是光栅介质的折射率平均值，光栅介质的折射率按正弦函数周期性变化； δn 是折射率调制的振幅； f 是光栅的空间频率； Δλ 表示入射平面波与λ0的波长差。当平面波波长和入射至光栅的角度满足波长λ0对应的布拉格条件，即Δλ = 0 时，获得了最大的衍射效率η0，表示为：

　　对于体布拉格光栅而言，当入射光波长和角度满足布拉格条件时，衍射效率获得最大值，近似于1； 而对于其他偏离布拉格条件的波长而言，衍射效率近似为0。所以，如图1 所示，当两束具有一定波长差的光束以共轭的角度入射至光栅并在光栅上发生光斑重叠时，如果其中一束光λ1满足布拉格条件而另一束光λ2在光栅上的衍射效率为0，那么波长λ1的光束以最大衍射效率发生衍射，而波长λ2的光束透射经过光栅。这样，波长λ1和λ2的两束光经过光栅作用后同轴输出，即实现了波长不同的两束光的同光路合束。以此类推，当存在N个中心波长不同的体布拉格光栅时，即可实现N + 1路不同波长光束的光谱合束。

　　多层介质膜光栅是一种平面光栅，其合束原理如图2 所示。

　　式(3) 为平面衍射光栅的光栅方程：

　　其中，d 为光栅的缝距； θ1和θ2分别为光束的入射角度和衍射角度；m为衍射级次； λ为波长。由此可算出不同波长光束以同一衍射角度出射时对应的不同入射角度。

　　由于多层介质膜光栅的衍射主峰有一定的宽度，所以与衍射峰中心波长相差不大的其他波长，也可以在多层介质膜光栅上获得很高的衍射效率。这样，有一定波长差的多路光束，以不同的特定角度入射至多层介质膜光栅上的同一点，即可实现多路光束的同方向输出，也就完成了多路光束的光谱合束。