本研究由国防科技大学前沿交叉学科学院、南湖之光实验室及高能激光技术湖南省重点实验室的王鹏、奚小明、孟祥明、王小林、吴函烁、杨保来、张汉伟、马鹏飞、马阎星、刘文广、习锋杰、韩凯、王泽锋、许晓军、陈金宝等人共同完成，以简讯形式发表于《中国激光》第50卷第21期，2023年11月出版，网络首发日期为2023年9月4日。研究团队针对高功率光纤激光光谱合成中因倾斜抖动导致光束质量退化的问题，提出并实验验证了一种基于主动控制技术的双色镜光谱合成方案，最终实现了8.3 kW近单模激光输出。

在光纤激光器向高功率、高光束质量方向发展的过程中，单纤近单模输出受到光纤非线性效应和模式不稳定效应的制约，光束质量因子M²≤1.5时功率提升面临较大困难。光谱合成技术通过将不同波长的多路激光进行合束，可在保持单元光束质量的同时提高总输出功率，其中双色镜合成因结构简单、成本较低和可靠性高而成为重要方案。然而，环境振动、镜面热效应以及传输通道气体热效应等因素会导致各单元光束之间产生指向误差或倾斜相位差，使合成光束发生光斑分裂、抖动和光束质量下降，严重时甚至危害合成系统本身。

针对上述问题，研究团队将主动控制技术引入高功率双色镜光谱合成系统，构建了包含两路宽谱光纤激光放大器的实验平台。两路激光的中心波长分别为1070 nm和1085 nm，其中1085 nm放大器输出功率为3.9 kW，横向与纵向光束质量因子M²ₓ/M²ᵧ约为1.³²⁄₁.19；1070 nm放大器输出功率约为4.8 kW，M²ₓ/M²ᵧ约为1.³⁶⁄₁.17。两路激光分别经过高反镜后在双色镜处合束，该双色镜对1085 nm激光高透、对1070 nm激光高反。高反镜HR1和HR3的背面固定有压电偏转台，可快速调节光束方位。合束后的激光经高反镜HR4进入功率计进行功率测量；透射光经分束镜BS1分束后，一路进入光束质量分析仪进行光束质量测试，另一路经焦距为750 mm的聚焦透镜聚焦，再经分束镜BS2分为两束，分别进入位于焦点的电荷耦合元件和光电探测器。光电探测器靶面前放置小孔以获取控制系统所需的性能评价函数，输出信号同时进入示波器和算法控制器。实验中采用随机并行梯度下降算法控制压电偏转台，对两路激光的倾斜进行闭环锁定。

实验结果显示，在最高合成功率条件下，开环状态时性能评价函数约为30 mV，闭环控制后提升至约450 mV，提升约15倍，表明控制系统能够有效抑制倾斜抖动。对应的合成光束质量也显著改善，开环状态下合成光束的M²ₓ/M²ᵧ为2.³¹⁄₁.34，闭环后优化至1.⁴⁶⁄₁.28，达到了近单模水平。整个系统的总合成输出功率为8.3 kW，合成效率约为95.4%。造成约4.6%合成效率损耗的主要原因是两台光纤激光放大器均为宽谱激光输出，部分波长分量未能被双色镜有效反射或透射。闭环控制后光斑不再发生分离，保持近单模状态，同时合成输出功率和合成效率未出现明显变化，说明主动控制过程未引入额外功率损失。

在最高输出功率下连续运行3 min的远场光斑演化实验中，开环状态下由于镜片热效应和环境因素影响，两束激光的远场光斑无法稳定重合，相对位置持续变化，稳定度较低；闭环控制后合成光束的光束质量得到保证，远场光斑形态保持稳定，稳定度显著提高。这一结果表明，主动倾斜控制能够有效抑制高功率运行条件下由热效应和外部扰动引起的光束指向漂移，保证合成光束长期稳定。

该研究的结论是，利用主动控制技术可以实现高功率光谱合成激光的稳定输出，初步验证了将随机并行梯度下降算法与压电偏转台结合用于双色镜合成系统倾斜锁定的可行性。通过增加合束路数并提高单路激光功率，有望进一步提升合成激光的总输出功率，并保持近单模光束质量。该研究为高功率、高光束质量光纤激光的功率扩展提供了一条具有工程应用潜力的技术路径。

该研究的亮点在于，首次在高功率双色镜光谱合成系统中引入主动倾斜控制，通过实时闭环锁定有效抑制光束指向误差，解决了传统开环合成中因环境抖动和热效应导致的光束质量退化问题。其创新性体现在将随机并行梯度下降算法与高功率合束系统相结合，利用光电探测器靶面前的小孔构造性能评价函数，实现了对两路激光倾斜状态的快速优化。研究结果表明，主动控制不仅显著提高了光束质量，还保持了较高的合成效率，证明了该方法在高功率条件下的可行性和稳定性。这一工作为后续发展更多路数、更高功率的主动控制光谱合成系统提供了重要的实验依据和技术参考。