一、背景介紹

超快光纖激光在先進(jìn)制造、生物醫(yī)療、高次諧波產(chǎn)生等工業(yè)和前沿科學(xué)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)是獲得高功率/高能量超快激光的重要手段。隨著包層泵浦技術(shù)及大模場面積（LMA）光纖的發(fā)展，光纖CPA技術(shù)進(jìn)展迅速，目前已經(jīng)實現(xiàn)了平均功率千瓦級以及單脈沖能量mJ級的超快激光輸出。

盡管CPA技術(shù)極大地推動了超快光纖激光的發(fā)展，但其性能進(jìn)一步提升仍面臨多重技術(shù)瓶頸，脈沖放大過程中的非線性相移累積、模式不穩(wěn)定效應(yīng)、系統(tǒng)的色散失配及增益窄化效應(yīng)等因素對脈沖激光性能優(yōu)化與保持帶來極大挑戰(zhàn)。如何突破技術(shù)瓶頸，研制更高性能的高功率超快光纖激光放大器是科研人員不斷追求的研究目標(biāo)。國防科技大學(xué)周樸研究員、李燦副研究員所在團(tuán)隊針對超快光纖激光的性能提升，系統(tǒng)梳理了光纖CPA技術(shù)的研究進(jìn)展，全面總結(jié)了工作在不同波段的空間結(jié)構(gòu)和全光纖結(jié)構(gòu)CPA系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對超快激光相干合成、窄脈寬飛秒激光技術(shù)、噪聲以及人工智能賦能CPA技術(shù)等前沿方向進(jìn)行了展望。

二、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展

根據(jù)光纖CPA構(gòu)成形式的不同，可將其分為空間結(jié)構(gòu)和全光纖結(jié)構(gòu)兩大類。

1. 基于空間結(jié)構(gòu)的光纖CPA系統(tǒng)

空間結(jié)構(gòu)多采用光子晶體光纖（PCF）、大孔距光纖（LPF）等特種光纖，該類光纖通常具有特殊的纖芯結(jié)構(gòu)和較大的模場直徑，可有效抑制非線性效應(yīng)。

在1 μm波段，德國耶拿大學(xué)課題組早在2010年基于大模場摻鐿光纖（EDF）實現(xiàn)了平均功率830 W、脈寬640 fs的高功率CPA系統(tǒng)。功率的進(jìn)一步提升受限于熱效應(yīng)所引起的橫向模式不穩(wěn)定（TMI）效應(yīng)。獲得的單脈沖能量僅有10.6 μJ。為了降低系統(tǒng)的非線性效應(yīng)并實現(xiàn)更高能量的超快激光輸出，該課題組在2011年采用自主研制的模場直徑為105 μm的LPF進(jìn)一步將光纖CPA系統(tǒng)的單脈沖能量提升到了2.2 mJ。近年來，大模場棒狀PCF已實現(xiàn)商業(yè)化，并被廣泛用于高能量CPA系統(tǒng)。除耶拿大學(xué)外，山東大學(xué)、清華大學(xué)、NKT Photonics公司、北京工業(yè)大學(xué)、華東師范大學(xué)、多倫多大學(xué)、維也納大學(xué)等單位也利用棒狀PCF開展了CPA技術(shù)的相關(guān)研究，并實現(xiàn)了毫焦量級單脈沖能量的超快激光輸出。

在2 μm波段，一般采用摻銩光纖（TDF）構(gòu)建高功率激光系統(tǒng)，泵浦源廣泛使用波長0.79 μm的商用LD。然而，較高量子虧損所引起的熱效應(yīng)制約著2 μm波段CPA技術(shù)的發(fā)展。在較高銩離子濃度條件下，基于TDF有的能級結(jié)構(gòu)，采用0.79 μm LD泵浦TDF可實現(xiàn)交叉弛豫過程，有效提高了TDF激光器的轉(zhuǎn)化效率。2018年，耶拿大學(xué)課題組采用纖芯/包層直徑為50/250 μm的高摻雜PCF，將摻銩光纖CPA系統(tǒng)的平均功率提升到了千瓦量級（實驗裝置如圖1所示），系統(tǒng)的斜效率達(dá)到了61%。

圖1 平均功率千瓦量級的摻銩光纖CPA系統(tǒng)

2. 基于全光纖結(jié)構(gòu)的CPA系統(tǒng)

大模場棒狀PCF由于難以與普通光纖相熔接，信號的準(zhǔn)直及耦合需引入大量的空間光學(xué)元件，這在一定程度上增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，降低了光纖激光器的穩(wěn)定性。理想的光纖CPA系統(tǒng)應(yīng)該是器件之間均采用光纖熔接的方式相連接，僅在壓縮階段引入少量的空間元件。然而，常規(guī)光纖因模場直徑有限，易產(chǎn)生強烈的非線性效應(yīng)，嚴(yán)重限制了全光纖結(jié)構(gòu)下超快激光性能的進(jìn)一步提升。此外，不同的增益光纖在能級結(jié)構(gòu)、非線性特性及熱效應(yīng)等方面存在差異，使得不同波段的光纖CPA系統(tǒng)在發(fā)展路徑與技術(shù)挑戰(zhàn)上呈現(xiàn)顯著區(qū)別。

在1 μm波段，目前商用光纖的纖芯直徑一般在30 μm以下，這也成為早期全光纖超快激光系統(tǒng)的主要選擇。2013年，美國PolarOnyx公司基于纖芯/包層直徑為30/400 μm的YDF實現(xiàn)了壓縮前功率為1052 W的全光纖CPA系統(tǒng)，作者分出了3.4%的功率進(jìn)行了壓縮。此后，國防科技大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)及清華大學(xué)等單位，均采用纖芯/包層直徑為30/250 μm的YDF開展了全光纖CPA技術(shù)的相關(guān)研究，但受限于TMI效應(yīng)導(dǎo)致的光束質(zhì)量退化，平均輸出功率限制在300 W以內(nèi)。2023年，國防科技大學(xué)課題組通過級聯(lián)CFBG的方式將種子信號展寬至2 ns，顯著降低了放大過程中的峰值功率和非線性效應(yīng)，將全光纖超快激光的平均功率提升至440.6 W，實驗裝置如圖2所示。此外，縮短光纖長度也可有效降低非線性效應(yīng)。美國Raydiance公司和俄羅斯等單位采用自行設(shè)計的高摻雜YDF均實現(xiàn)了單脈沖能量>60 μJ的超快激光輸出。

圖2 高功率全光纖CPA系統(tǒng)

以上介紹的全光纖CPA系統(tǒng)一般工作在數(shù)kHz到數(shù)十MHz的頻率范圍內(nèi)。近年來，科研人員開始關(guān)注更高重復(fù)頻率的光纖CPA技術(shù)。2025年，華南理工大學(xué)采用重復(fù)頻率為1.39 GHz的種子源，實現(xiàn)了壓縮前輸出功率達(dá)2001 W的全光纖CPA系統(tǒng)。

在1.5 μm全光纖CPA系統(tǒng)方面，近年來的發(fā)展較為緩慢。鉺離子因團(tuán)簇效應(yīng)而難以實現(xiàn)高濃度摻雜，且其吸收截面小，嚴(yán)重制約了高功率輸出。在EDF中摻雜鐿離子作為激活劑可實現(xiàn)高濃度摻雜并通過能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)提高泵浦轉(zhuǎn)換效率，故而鉺鐿共摻光纖（EYDF）成為了1.5 μm波段高功率激光的主流選擇。2022年，山東大學(xué)課題組采用纖芯/包層直徑為25/300 μm的EYDF實現(xiàn)了中心波長1560 nm、脈寬474 fs、平均功率13.2 W的超快激光輸出。2023年，俄羅斯普通物理研究所通過在主放大器中級聯(lián)EDF和EYDF來提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，將1.5 μm波段全光纖CPA系統(tǒng)的單脈沖能量提高到了10 μJ量級。

在2 μm全光纖CPA系統(tǒng)方面，漢諾威激光中心、佛羅里達(dá)大學(xué)、PolarOnyx公司、北京工業(yè)大學(xué)、南安普頓大學(xué)等單位均開展過相關(guān)研究，受限于較低的轉(zhuǎn)化效率和強非線性效應(yīng)，獲得的平均功率與PCF相比還有較大差距，一般限制在50 W以下。2023年，國防科技大學(xué)課題組實現(xiàn)了基于TDF的百瓦級全光纖CPA系統(tǒng)（實驗裝置如圖3所示）。通過實施高效的熱管理并優(yōu)化光纖盤繞直徑以增強交叉弛豫過程，該系統(tǒng)在壓縮前獲得了314 W的平均輸出功率。

圖3 基于TDF的百瓦級全光纖CPA系統(tǒng)

三、發(fā)展趨勢

1. 超快光纖激光相干合成

超快光纖激光相干合成技術(shù)是突破單路激光功率和能量瓶頸的有效技術(shù)手段。采用填充孔徑相干合成技術(shù)，已經(jīng)分別實現(xiàn)了平均功率10.8 kW和單脈沖能量32 mJ的飛秒激光輸出。采用平鋪孔徑相干合成技術(shù)，基于61路超快光纖激光放大器，也分別實現(xiàn)了平均功率1.5 kW和單脈沖能量1 mJ的飛秒激光輸出。未來，通過優(yōu)化單路光源的特性和進(jìn)一步拓展合成的路數(shù)，有望將超快激光的性能推上新的高度。

2. 窄脈寬飛秒激光技術(shù)

圖4匯總了空間結(jié)構(gòu)與全光纖結(jié)構(gòu)兩類高功率、高能量光纖CPA系統(tǒng)的典型輸出脈寬結(jié)果，光纖CPA系統(tǒng)難以穩(wěn)定產(chǎn)生200 fs以下的脈沖，該現(xiàn)象主要源于放大過程中存在的增益窄化效應(yīng)、非線性相移累積以及高階色散失配等因素。2023年，美國IMRA公司通過光譜預(yù)整形和高階色散調(diào)控，實現(xiàn)了脈寬為92 fs、單脈沖能量為10 μJ的光纖CPA系統(tǒng)。德國耶拿大學(xué)在超快光纖激光相干合成系統(tǒng)中也廣泛采用脈沖整形技術(shù)，并實現(xiàn)了平均功率1 kW、單脈沖能量10 mJ和脈沖寬度120 fs的超快激光輸出。除此之外，采用相干光譜合成及非線性壓縮等技術(shù)手段，也能實現(xiàn)窄脈寬飛秒激光輸出。未來，通過綜合運用以上技術(shù)手段，有望實現(xiàn)系統(tǒng)性能的協(xié)同提升。

圖4 光纖CPA系統(tǒng)輸出脈沖寬度典型結(jié)果。（a）高功率CPA系統(tǒng)的脈沖寬度；（b）高能量CPA系統(tǒng)的脈沖寬度

3. 低噪聲飛秒激光技術(shù)

隨著光纖CPA技術(shù)在精密測量、高次諧波產(chǎn)生、阿秒科學(xué)等領(lǐng)域的深入應(yīng)用，輸出激光的噪聲特性已成為決定系統(tǒng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。近年來，光纖光頻梳作為低噪聲種子源顯示出獨特優(yōu)勢，其具備優(yōu)異的相位鎖定能力和低時序抖動，為低噪聲放大提供了理想光源。耶拿大學(xué)課題組通過相干合成技術(shù)已實現(xiàn)了平均功率>1 kW且載波包絡(luò)相位穩(wěn)定的光纖光頻梳。未來，還需進(jìn)一步深入研究光纖CPA系統(tǒng)中噪聲的產(chǎn)生、傳遞與耦合機制，發(fā)展多參數(shù)協(xié)同反饋控制策略，實現(xiàn)對強度、相位及偏振等多個維度的噪聲同步抑制，有望終實現(xiàn)兼具高功率/能量與高穩(wěn)定性的飛秒激光輸出。

4. 人工智能賦能CPA系統(tǒng)

近年來，人工智能技術(shù)（AI）的快速發(fā)展，為激光技術(shù)注入了新的活力。將AI引入光纖CPA系統(tǒng)，有望進(jìn)一步推動超快光纖激光放大器性能的突破。首先，可將AI應(yīng)用于光纖的輔助設(shè)計。例如，基于不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，研究人員實現(xiàn)了在毫秒量級內(nèi)對PCF的非線性系數(shù)、色散、折射率等參數(shù)的快速預(yù)測，預(yù)測速度較傳統(tǒng)數(shù)值計算方法快三個數(shù)量級以上，并有望實現(xiàn)PCF的逆向設(shè)計。其次，可將AI應(yīng)用于光纖CPA系統(tǒng)的性能優(yōu)化。例如，通過引入AI技術(shù)，可快速調(diào)節(jié)種子信號的光譜強度與相位分布，從而實現(xiàn)更優(yōu)的脈沖整形效果。此外，在超快光纖激光相干合成方面，AI技術(shù)有望突破傳統(tǒng)主動相位控制方法的控制帶寬隨陣列單元數(shù)量增加而下降的難題，并能實現(xiàn)對系統(tǒng)的相位、延遲、偏振、光束指向等多參數(shù)的快速調(diào)控。

四、總結(jié)與展望

隨著CPA技術(shù)的快速發(fā)展，超快光纖激光已在平均功率、單脈沖能量和峰值功率等方面取得了顯著突破。未來，隨著超快激光應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，對窄脈寬、低噪聲、高穩(wěn)定性的超快光源需求日益增長，將推動著超快激光的性能參數(shù)不斷精雕細(xì)琢；與此同時，將AI與光纖CPA技術(shù)相結(jié)合有望進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能，推動超快激光系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展。可以預(yù)見，隨著新技術(shù)、新理念、新器件的不斷提出與進(jìn)步，將為光纖CPA技術(shù)的發(fā)展帶來新的機遇，推動超快光纖激光在精密制造、生物醫(yī)學(xué)、強場物理以及一些特種領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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