Povečanje moči in energije laserjev z vlakni omejujejo predvsem štirje dejavniki: nelinearni učinki, toplotni učinki, optične poškodbe in meje črpanja. Zato imata povprečna moč in izhodna energija impulza iz posameznega vlakna omejitve. Tehnologija koherentne sinteze je učinkovito sredstvo za prebijanje te meje. Slika 1 prikazuje glavne raziskovalne vsebine na tem področju.
Nekoherentna sinteza ne zagotavlja koherence sintetiziranega žarka, ampak le realizira superpozicijo laserjev v prostoru. Naprava je razmeroma preprosta, scenarij uporabe pa je predvsem lasersko orožje. Nekoherentna sinteza je v glavnem razdeljena na tri vrste: vzporedna sinteza, sinteza pasivne naprave in spektralna sinteza. Pri vzporedni sintezi so laserski izhodni konci razporejeni drug poleg drugega, izhodni žarek pa doseže večjo povprečno moč na manjšem območju na razdalji. Pasivna sinteza naprav sintetizira več laserjev v enega prek naprav, kot so polarizacijski cepilniki žarkov in združevalci žarkov. Spektralna sinteza se nanaša na sintezo več ozkopasovnih zveznih svetlob v eno, ki jo večinoma zaključijo volumske Braggove rešetke, dihroična zrcala, filtri, uklonske prizme ali prizme.
Pri koherentni sintezi je treba zagotoviti, da ima vsak laser enako fazo, optično pot, moč, polarizacijo, premer žarka in prostorsko smer. Slika 2 je shematski diagram sistema koherentne sinteze, ki ga je mogoče v glavnem razdeliti na štiri dele: razdelilnik žarka/kombinator žarka, seme/ojačevalnik, fazno zaklepanje in zaklepanje z zakasnitvijo.
Koherentno združevanje lahko merimo s štirimi parametri: kakovost žarka, Strehlovo razmerje, učinkovitost združevanja in svetlost. Kakovost žarka se nanaša na podobnost med kombinirano svetlobo in Gaussovim žarkom, kar je izraženo s faktorjem kakovosti žarka M2. Bližje ko je M2 1, večja je kakovost žarka. Strehlovo razmerje se nanaša na razmerje med največjo močjo kombinirane svetlobe in idealno največjo močjo s popolnim faznim ujemanjem. Povezan je s faznim zaklepanjem in faktorjem polnjenja zaslonke. Faktor polnjenja zaslonke se nanaša na razmerje med površino odprtine žarka in celotno površino niza, ki ga je treba združiti.
Manjša kot je fazna neusklajenost, večji je faktor polnjenja zaslonke, višje je Strehlovo razmerje in bližje je koherentno združevanje idealnemu stanju. Učinkovitost združevanja je razmerje med skupno močjo svetlobe in skupno močjo vsakega kanala pred združevanjem. Bližje kot je razmerje 1, bolj idealno je. Svetlost je povezana z izhodno močjo, valovno dolžino in kakovostjo žarka, kot je prikazano v formuli 1, kjer je C koeficient, povezan z obliko žarka, C, ki ustreza Gaussovemu žarku, pa je 1. Svetlost kombiniranega žarka je produkt združevanje učinkovitosti, števila združenih kanalov in svetlosti posameznega kanala.
Glede na vrsto razdelilnika/kombinatorja žarkov lahko koherentno sintezo razdelimo na dve vrsti: ploščato zaslonko in zapolnjeno zaslonko. Faktor polnjenja zaslonke pri sintezi ploščatih zaslonk je manjši od 1, kar je mogoče doseči s štirimi vrstami naprav: nizom kolimatorjev, nizom mikroleč, snopom vlaken in večjedrnim vlaknom. Slika 3 prikazuje rezultate simulacije porazdelitve jakosti svetlobe na različnih razdaljah širjenja pri uporabi niza kolimatorjev za sintezo. Čim bolj kompaktna je postavitev kolimatorja, čim bližje je faktor polnjenja zaslonke 1, tem boljši je učinek sinteze, teoretična mejna učinkovitost pa je 76 % [2]. Naprava sinteze ploščatih zaslonk je preprostejša, vendar je učinkovitost sinteze nižja.
Faktor polnjenja sinteze napolnjene zaslonke je 1, učinkovitost sinteze pa je relativno visoka. Razdelimo jo lahko na štiri vrste: polarizacijsko sintezo, sintezo intenzitete, sintezo difrakcije in sintezo refleksije, kot je prikazano na sliki 4. Polarizacijska sinteza se nanaša na uporabo polarizacijskega cepilnika žarka ali tankoslojnega polarizatorja za sintezo dveh pravokotno polariziranih svetlobnih žarkov. v eno, število sinteznih poti pa je mogoče povečati s kaskadno strukturo. Sinteza intenzivnosti se nanaša na metodo uporabe razdelilnika svetlobnega snopa za sintezo dveh svetlobnih poti z enako močjo v eno pot, interferenca luči v prostem teku pa je dosežena s faznim zaklepanjem, večpotno sintezo pa je mogoče doseči tudi prek kaskadno strukturo.
V primerjavi s polarizacijsko sintezo je sinteza intenzivnosti primerna za priložnosti z višjo povprečno močjo. Difrakcijska sinteza uporablja uklonske optične naprave, kot so rešetke in prizme, za sintezo svetlobe, ki vpada pod koti, ki ustrezajo različnim uklonskim redom, v en žarek. Dvostopenjsko serijsko strukturo je mogoče uporabiti za razširitev dimenzije sinteze z ene dimenzije na dve dimenziji, da se doseže sinteza N × N. Moč difrakcijske sinteze je omejena s toplotnimi učinki. Sinteza refleksije je dosežena z zrcalom cvetnih listov. Različna področja zrcala cvetnih listov imajo različno odbojnost in prepustnost. Koherentna sinteza se doseže z destruktivno interferenco med vpadno in odbito svetlobo v smeri odbite svetlobe. Odbojnost vsakega dela ima določeno vrednost. Dvodimenzionalno sintezo lahko dosežemo tudi s sekundarno strukturo.
Poleg tega obstaja hibridna sinteza zaslonke, ki temelji na nizih mikroleč. Svetlobni žarek se razdeli in sintetizira skozi dva niza mikroleč in lečo. Položaj sintetiziranega žarka je mogoče nastaviti z nadzorom faze vsakega žarka [3].
Pod vplivom toplotnih učinkov in okoljskih motenj ima vsak signal določen fazni šum, ki vpliva na kakovost sintetiziranega žarka in učinkovitost sinteze. Slika 5 prikazuje sintetizirano svetlobno točko, ko je fazni zaklep vklopljen in izklopljen, ko se za sintezo uporablja niz kolimatorjev. Vidimo lahko, da je učinek sinteze zelo slab, ko je fazni zaklep izklopljen.
Fazno zaklepanje lahko razvrstimo v aktivno fazno zaklepanje in pasivno fazno zaklepanje. Pasivno fazno zaklepanje vključuje predvsem štiri vrste: ko-resonančno fazno zaklepanje votline [4], fazno konjugacijo [5], samoorganizacijo [6] in evanescent valovno sklopitev. Pri faznem zaklepanju ko-resonančne votline se izhodni konci več ojačevalnih vlaken vrnejo drug k drugemu, kar je enakovredno skupni rabi iste resonančne votline, s čimer se doseže fazno zaklepanje. Pri faznem zaklepanju fazne konjugacije, ki temelji na zrcalih fazne konjugacije, se faza obrne v času z nelinearnimi učinki, kot je stimulirano Brillouinovo sipanje, s čimer se kompenzira fazni šum v glavnem ojačevalniku. Pri samoorganizirajočem zaklepanju načina se za oblikovanje Michelsonovega interferometra uporabita vlaknena Braggova rešetka in cepilnik žarka, da se doseže sklopitev med ojačevalniki, s čimer se zaklene faza. Evanescent valovna sklopka združi večkanalne ojačevalnike v super način, s čimer doseže koherenco med kanali, in se pogosto uporablja v večjedrnih optičnih vlaknih.