שיפור הכוח והאנרגיה של לייזרים סיבים מוגבלים בעיקר על ידי ארבעה גורמים: השפעות לא ליניאריות, השפעות תרמיות, נזק אופטי ומגבלות שאיבה. לכן, לתפוקת ההספק והדופק הממוצע מסיב בודד יש מגבלות. טכנולוגיית סינתזה קוהרנטית היא אמצעי יעיל לפרוץ את הגבול הזה. איור 1 מציג את תוכן המחקר העיקרי בתחום זה.
סינתזה לא קוהרנטית אינה מבטיחה את הקוהרנטיות של הקרן המסונתזת, אלא רק מממשת את הסופרפוזיציה של לייזרים בחלל. המכשיר פשוט יחסית, ותרחיש היישום הוא בעיקר נשק לייזר. סינתזה לא קוהרנטית מחולקת בעיקר לשלושה סוגים: סינתזה מקבילה, סינתזה של מכשירים פסיביים וסינתזה ספקטרלית. בסינתזה מקבילה, קצוות פלט הלייזר מסודרים זה לצד זה, וקרן הפלט מגיעה להספק ממוצע גדול יותר באזור קטן יותר במרחק. סינתזה של מכשירים פסיביים מסנתזת מספר לייזרים לאחד באמצעות מכשירים כגון מפצלי קרן קיטוב ומשלבי קרן. סינתזה ספקטרלית מתייחסת לסינתזה של אור רצוף צר ברוחב פס לאחד, אשר הושלמה לרוב על ידי רשתות בראג בנפח, מראות דיכרואיות, מסננים, מנסרות עקיפה או מנסרות.
בסינתזה קוהרנטית, יש צורך להבטיח שלכל לייזר יש את אותו פאזה, נתיב אופטי, כוח, קיטוב, קוטר קרן וכיוון מרחבי. איור 2 הוא דיאגרמה סכמטית של מערכת הסינתזה הקוהרנטית, אותה ניתן לחלק בעיקר לארבעה חלקים: מפצל קרן/משלב קרן, זריעה/מגבר, נעילת פאזה ונעילת עיכוב.
ניתן למדוד שילוב קוהרנטי לפי ארבעה פרמטרים: איכות האלומה, יחס Strehl, שילוב יעילות ובהירות. איכות האלומה מתייחסת לדמיון בין האור המשולב לבין אלומת גאוס, המתבטאת בגורם איכות האלומה M2. ככל ש-M2 קרוב יותר ל-1, איכות האלומה גבוהה יותר. יחס Strehl מתייחס ליחס בין הספק שיא של האור המשולב לשיא הספק האידיאלי עם התאמת פאזה מושלמת. זה קשור למצב נעילת הפאזה ולגורם מילוי הצמצם. גורם מילוי הצמצם מתייחס ליחס בין שטח צמצם האלומה לשטח הכולל של המערך שיש לשלב.
ככל שחוסר התאמת הפאזה קטן יותר, כך מקדם מילוי הצמצם גבוה יותר, יחס Strehl גבוה יותר, והשילוב הקוהרנטי קרוב יותר למצב האידיאלי. יעילות השילוב היא היחס בין עוצמת האור המשולבת להספק הכולל של כל ערוץ לפני השילוב. ככל שהיחס קרוב יותר ל-1, כך הוא אידיאלי יותר. הבהירות קשורה להספק המוצא, אורך הגל ואיכות האלומה, כפי שמוצג בנוסחה 1, כאשר C הוא מקדם הקשור לצורת האלומה, ו-C המקביל לקרן גאוס היא 1. בהירות האלומה המשולבת היא מכפלה של הקרן המשולבת. שילוב של יעילות, מספר הערוצים המשולבים והבהירות של ערוץ בודד.
בהתבסס על סוג מפצל הקורות/קומבינר, ניתן לחלק את הסינתזה הקוהרנטית לשני סוגים: צמצם מרוצף וצמצם מלא. מקדם מילוי הצמצם של סינתזת צמצם מרוצף הוא פחות מ-1, שניתן להשיג באמצעות ארבעה סוגי מכשירים: מערך קולימטור, מערך מיקרועדשות, צרור סיבים וסיבים מרובי ליבות. איור 3 מציג את תוצאות הסימולציה של התפלגות עוצמת האור במרחקי התפשטות שונים בעת שימוש במערך קולימטור לסינתזה. ככל שסידור הקולימטור קומפקטי יותר, כך מקדם מילוי הצמצם קרוב יותר ל-1, כך אפקט הסינתזה טוב יותר ויעילות הגבול התיאורטית היא 76% [2]. המכשיר של סינתזת צמצם מרוצף הוא פשוט יותר, אך יעילות הסינתזה נמוכה יותר.
מקדם המילוי של סינתזת הצמצם המלא הוא 1, ויעילות הסינתזה גבוהה יחסית. ניתן לחלק אותו לארבעה סוגים: סינתזת קיטוב, סינתזת עוצמה, סינתזת עקיפה וסינתזת השתקפות, כפי שמוצג באיור 4. סינתזת קיטוב מתייחסת לשימוש במפצל קרן קיטוב או מקטב סרט דק כדי לסנתז שתי אלומות אור מקוטבות אורתוגונלית לאחד, וניתן להגדיל את מספר נתיבי הסינתזה באמצעות מבנה מפל. סינתזת עוצמה מתייחסת לשיטה של שימוש במפצל אלומת עוצמה כדי לסנתז שני נתיבים של אור באותו הספק לנתיב אחד, וההפרעה של יציאת האור הסרק מושגת באמצעות נעילת פאזה, וניתן להשיג סינתזה רב-נתיב גם באמצעות מבנה מפל.
בהשוואה לסינתזת קיטוב, סינתזת עוצמה מתאימה לאירועים עם הספק ממוצע גבוה יותר. סינתזת עקיפה משתמשת בהתקנים אופטיים של עקיפה, כגון רשתות ומנסרות, כדי לסנתז אור בזוויות המתאימות לסדרי עקיפה שונים לתוך אלומה אחת. ניתן להשתמש במבנה סדרה דו-שלבי כדי להרחיב את מימד הסינתזה מממד אחד לשני ממדים כדי להשיג סינתזת N×N. כוחה של סינתזת עקיפה מוגבל על ידי השפעות תרמיות. סינתזת השתקפות מושגת באמצעות מראה עלי כותרת. לאזורים שונים של מראת עלי הכותרת יש החזרות והעברות שונות. סינתזה קוהרנטית מושגת באמצעות הפרעה הרסנית בין האור הנכנס לאור המוחזר בכיוון האור המוחזר. לרפלקטיביות של כל חלק יש ערך ספציפי. ניתן להשיג סינתזה דו מימדית גם באמצעות מבנה משני.
בנוסף, קיימת סינתזת צמצם היברידית המבוססת על מערכי עדשות מיקרו. אלומת האור מפוצלת ומסונתזת באמצעות שני מערכי מיקרו עדשות ועדשה. ניתן לכוונן את המיקום של האלומה המסונתזת על ידי שליטה על הפאזה של כל אלומה [3].
בהשפעת השפעות תרמיות והפרעות סביבתיות, לכל אות יש רעש פאזה מסוים, המשפיע על איכות הקרן המסונתזת ויעילות הסינתזה. איור 5 מציג את כתם האור המסונתז כאשר נעילת הפאזה מופעלת ומכבה כאשר מערך הקולימטור משמש לסינתזה. ניתן לראות שכאשר נעילת הפאזה כבויה, אפקט הסינתזה גרוע מאוד.
ניתן לסווג את נעילת השלב לנעילת שלב אקטיבית ולנעילת שלב פסיבית. נעילת פאזה פסיבית כוללת בעיקר ארבעה סוגים: נעילת פאזה של חלל תהודה משותפת[4], צימוד פאזה[5], ארגון עצמי[6] וצימוד גלים נעלם. בנעילת פאזה של חלל תהודה משותפת, קצוות הפלט של סיבי הגבר מרובים מוזנים זה לזה, דבר המקביל לשיתוף באותו חלל תהודה, ובכך משיגים נעילת פאזה. בנעילת פאזה צימוד פאזה, המבוססת על מראות צימוד פאזה, הפאזה מתהפכת בזמן באמצעות אפקטים לא ליניאריים כגון פיזור ברילואין מגורה, ובכך מפצה על רעשי הפאזות במגבר הראשי. בנעילת מצב ארגון עצמי, רשת סיב Bragg ומפצל קרן משמשים ליצירת אינטרפרומטר מיכלסון כדי להשיג צימוד בין המגברים, ובכך לנעול את הפאזה. צימוד גלים מתעוותים מצמד את המגברים הרב-ערוציים למצב סופר, ובכך משיג קוהרנטיות בין הערוצים, והוא משמש לעתים קרובות בסיבים אופטיים מרובי ליבות.