定义
一种用于光束合成的方法，其要求用于合成的光束互相相干。
相干光束合成（也称作相干光束叠coherent beam addition）是光束合成中的某一类技术。其目标是要在合成几束高功率的激光光束从而获得更高功率的激光光束的同时，基本保持激光的光束质量并提高激光光束的亮度。相干光束合成还可以保持合成光束的光谱带宽。光束合成的另一类几束是光谱光束合成。
并排合成对比填充孔径合成
相干合成可以分为：
1.并排合成（side-by-side combing，也叫平行孔径）技术：得到的光束截面更大，但是其发散程度降低
2.填充孔径技术（filled-aperture combing）：几个光束被合成为一个具有相同的光束截面和发散程度的光束，可以利用例如N × 1的光栅分束器实现这一技术。
图表 1 相干光束合成的两种不同的技术：a)并排光束合成，其输出光是一个截面面积更大的光束；b)利用衍射光栅实现的填充孔径技术
填充孔径技术的一个特殊情况是相干偏振光束合成。在这种情况下只有两个输入光束，但是由于输出光束也是线性偏振的，所以这种情况的光束合成可以重复进行。
并排光束合成技术是受到射频和微波通信中的发射机和接收机的启发而设计的。但是在实际的设计中，对于较短波段的光其实现比较困难，这是由于其引入了比较严格的机械公差。
基本上在所有的情况下，相干光束合成中的光束必须是相互相干的。通常，相对相位差需要远小于1rad（均方根）。下面的两个例子帮助我们进一步理解这一点：
1、并排合成中的一个简单的情况：有四个光束，其截面强度形状为矩形一样的平顶形，其截面相位是常数。将这四个光束并排合成为一个光束，我们可以得到一个维度上是原先光束两倍，也就是面积上是原来四倍的光束，当然其功率也是原先的四倍。如果输入光相互相干，并且通过调整相位我们可以在整个截面上获得一个平面波，那么输出光束的发散度则为原先单个光束的一半。因此光束质量得以保持，从而可以得到四倍于原先单个光束的亮度。在实际中，我们很难得到一个理想的截面强度为矩形的光束，而且由于每个光束之间的间隙（有限的填充因子）的存在，输出光束的质量和亮度比起理想情况肯定会有所降低。
2、通过以下的例子在理解填充孔径合束的原理，假设有一个反射率为50%的分束器，将两个光束重叠地打到这个分束器上，如果这两个光束是相干的，那么通过适当的调整他们的相位，经过相干相消，我们可以只在某一个端口得到输出。这种技术相对而言更容易保持光束质量，而且对于光束的空间形状也没有特别的要求，但是对于多个发射器的情况，该方案会比较复杂。
除了相位相干，每一个用于合成的光束都需要有这稳定的线性偏振，而且功率波动也不能过大。
获取相互之间相干性的方法
有很多方法都可以实现相互之间的相干性：
1、将一个单频激光器的输出分束，并通过例如高功率光纤放大器等放大器将其放大可以得到相互之间相干的单频信号。由于在放大器中会引入放大器噪声，特别是由温度变化引起的低频相位抖动，为了稳定通常需要在每个泵浦上加入一个主动的反馈，或者在每个放大器的输入上加入一个相位调制器。通过该方法得到的相干光束可以用于相干光束合成，不论是通过多个分束器合成还是填充孔径合成。当光束数量较大时，第二种方法更为合适。这种技术在级联光纤放大器[11]、激光二极管[7]和脊型波导放大器[5]中有着很大的应用。
2、另外，通过某种光耦合可以使得多个高功率激光器的相位同步。一种方法是利用倏逝波，其具有很强的光束质量。这种技术尤其适用于激光二极管阵列[2,6]（在一个芯片上有多个有源波导），通过将多个波导密切的排布就可以实现。这种技术也被应用到多芯光纤[16]或者分离光纤激光器[16]。但是在这个技术中，除了紧密耦合这个挑战外，还有一个如何使得多个波导输出同相位的问题。
非单色光的相干光束合成
相干合成通常都是对单色波进行的。但是，它也可以用于非单色光的合成，只要这些非单色光是相互相干的。例如，宽光谱的超短脉冲也可以进行相干合成[21]。这种情况下需要保证每个光束的路径都是被精确设计过的，使得在输出时每个输入光的脉冲可以重合。对于光谱越宽的光束，其路径的匹配要求也就更高，对于超宽带的脉冲，即便是几个微米的差别都会产生很大的影响。
除了以上的情况，还有一些被动的相干光束合成技术。被动的相干合成技术中，输入的光束通过相干振荡实现相互之间的相干（同过一些反馈或者非线性的相互作用），这些光可以不是单频光。对于主动稳频的激光矩阵，光束需要是单频光。
小结
总体而言即便已经有了很对对于相干光束合成的研究，相干光束合成技术依旧没有能到非常成功的应用。其主要困难在于很难在一个足够稳定的方式下得到高功率的相位相干性，不论是在实验室环境下还是在工业生产环境下。另外一个困难在于相干光束合成需要精确并且稳定的匹配波前相位和偏振方向。利用单频激光器和高功率光纤放大器的方案中需要额外的措施来抑制受激布里渊散射（SBS）的问题。在并排合成的系统中，由于填充因子小于1使得光束质量下降，这会导致在远程光束会产生旁瓣。相比之下，利用光谱光束合成的方法则没有这么多的限制。但是在诸如窄带的光束合成中，相干光束合成依旧是必须的方案。
参考文献
[1] E. M. Philipp-Rutz, “Spatially coherent radiation from an array of GaAs lasers”, Appl. Phys. Lett. 26, 475 (1975)
[2] D. R. Scifres et al., “Phase-locked semiconductor laser array”, Appl. Phys. Lett. 33, 1015 (1978)
[3] D. G. Youmans, “Phase locking of adjacent channel leaky waveguide CO2 lasers”, Appl. Phys. Lett. 44, 365 (1984)
[4] M. Oka et al., “Laser-diode-pumped phase-locked Nd:YAG laser arrays”, IEEE J. Quantum Electron. 28 (4), 1142 (1992)
[5] K. H. No et al., “One dimensional scaling of 100 ridge waveguide amplifiers”, IEEE Photon. Technol. Lett. 6 (9), 1062 (1994)
[6] S. Saunders et al., “High power coherent two-dimensional semiconductor laser array”, Appl. Phys. Lett. 64, 1478 (1994)
[7] J. S. Osinski et al., “Phased array of high-power, coherent, monolithic flared amplifier master oscillator power amplifiers”, Appl. Phys. Lett. 66, 556 (1995)
[8] Y. Kono et al., “A coherent all-solid-state laser array using the Talbot effect in a three-mirror cavity”, IEEE J. Quantum Electron. 36 (5), 607 (2000)
[9] A. Shirakawa et al., “Coherent additional of fiber lasers by use of a fiber coupler”, Opt. Express 10 (21), 1167 (2002)
[10] D. Sabourdy et al., “Power scaling of fibre lasers with all-fibre interferometric cavity”, Electron. Lett. 38, 692 (2002)
[11] S. J. Augst et al., “Coherent beam combining and phase noise measurements of ytterbium fiber amplifiers”, Opt. Lett. 29 (5), 474 (2004)
[12] M. L. Minden et al., “Self-organized coherence in fiber laser arrays”, Proc. SPIE 5335, 89 (2004)
[13] L. Liu et al., “Phase locking in a fiber laser array with varying path lengths”, Appl. Phys. Lett. 85, 4837 (2004)
[14] T. Y. Fan, “Laser beam combining for high-power, high-radiance sources”, IEEE J. Quantum Electron. 11 (3), 567 ()
[15] H. Bruesselbach et al., “Self-organized coherence in fiber laser arrays”, Opt. Lett. 30 (11), 1339 (2005)
[16] L. Michaille et al., “Phase locking and supermode selection in multicore photonic crystal fiber lasers with a large doped area”, Opt. Lett. 30 (13), 1668 (2005)
[17] T. M. Shay et al., “Self-synchronous and self-referenced coherent beam combination for large optical arrays”, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 13 (3), 480 ()
[18] W. Liang et al., “Coherent beam combining with multilevel optical phase-locked loops”, J. Opt. Soc. Am. B 24 (12), 2930 (2007)
[19] N. Satyan et al., “Coherent power combination of semiconductor lasers using optical phase-lock loops”, IEEE Sel. Top. Quantum Electron. 15 (2), 240 (2009)
[20] A. A. Ishaaya et al., “Passive laser beam combining with intracavity interferometric combiners”, IEEE Sel. Top. Quantum Electron. 15 (2), 301 (2009)
[21] A. Klenke et al., “Basic considerations on coherent combining of ultrashort laser pulses”, Opt. Express 19 (25), 25379 (2011)
[22] A. Klenke et al., “530 W, 1.3 mJ, four-channel coherently combined femtosecond fiber chirped-pulse amplification system”, Opt. Lett. 38 (13), 2283 (2013)
参阅：光束合唱、光谱光束合成、高功率激光器、相干
