封面以色彩漸變的多束光纖為載體，展示了飛秒脈沖在各個(gè)獨(dú)立通道中經(jīng)歷色散展寬與功率放大的過(guò)程。下方整齊排列的紅色脈沖串描繪了脈沖在時(shí)間軸上的調(diào)控；多通道中的脈沖在放大后通過(guò)空間相干合束，最終在圖右側(cè)堆疊成塔狀高能脈沖，寓意時(shí)域堆積對(duì)脈沖能量的進(jìn)一步提升。整體構(gòu)圖形象展現(xiàn)了“時(shí)空相干合成”的物理機(jī)制。值此啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)發(fā)明四十周年之際，脈沖的時(shí)空相干合成被視為突破CPA能量瓶頸的重要路徑之一，其在兼顧高重復(fù)頻率與高單脈沖能量方面的研究?jī)r(jià)值與發(fā)展?jié)摿︼@著。

一、四十年跨度，激光科學(xué)新考題

1985年，啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)被提出，為飛秒激光安全放大奠定了基礎(chǔ)，并推動(dòng)其從實(shí)驗(yàn)室走向強(qiáng)場(chǎng)物理、生命科學(xué)和先進(jìn)制造等多個(gè)前沿領(lǐng)域。其技術(shù)原理頗為巧妙：先將超短激光脈沖在時(shí)間上拉長(zhǎng)，降低瞬時(shí)功率，隨后在安全狀態(tài)下進(jìn)行放大，再壓縮回飛秒脈寬，恢復(fù)其超高峰值功率，就像拉伸一根彈簧后再快速釋放。CPA有效避免了峰值功率過(guò)高所導(dǎo)致的非線性效應(yīng)與光學(xué)損傷。但四十年過(guò)去，人們對(duì)激光的期待已經(jīng)不再只是“單次沖擊”，而是以更高頻率持續(xù)輸出、兼顧強(qiáng)度與穩(wěn)定。這對(duì)CPA提出了新挑戰(zhàn)：?jiǎn)瓮ǖ澜Y(jié)構(gòu)在追求更高重復(fù)頻率和更大輸出能量時(shí)，常常受限于非線性累積、熱效應(yīng)和光學(xué)元件的損傷閾值。

于是科研人員開(kāi)始另辟蹊徑：既然一條通道承載有限，不如將激光劃分為多個(gè)并行通道，各自放大后再合成。就像建高樓，不靠一根柱子獨(dú)撐，而是將每塊磚穩(wěn)穩(wěn)鋪好，再逐層堆砌。這種思路催生了一項(xiàng)關(guān)鍵新技術(shù)：時(shí)空相干合成。

二、激光“拼圖”：從分身到合體

“時(shí)空相干合成”核心理念很簡(jiǎn)單：不靠一條“大路”，而是把激光分成許多“小路”，在時(shí)間、空間、甚至頻率上各自放大，再疊加回一束強(qiáng)大的光。

空間合束：多路激光匯成一道光。通過(guò)精密的相位控制，科研人員使多路激光在空間上干涉疊加，最終形成一束與單通道輸出幾乎無(wú)異的高質(zhì)量相干光束。德國(guó)耶拿大學(xué)Limpert團(tuán)隊(duì)于2020年搭建了12路大模場(chǎng)光纖空間相干合束（CBC）系統(tǒng)，最終獲得脈寬為254 fs、重復(fù)頻率為80 MHz、平均功率為10.4 kW的飛秒脈沖輸出，憑借填充孔徑方案刷新了當(dāng)時(shí)飛秒激光的平均功率紀(jì)錄。同年，法國(guó)巴黎理工大學(xué)的Chanteloup團(tuán)隊(duì)采用平鋪孔徑結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了61路CBC，如圖1所示，獲得了平均功率約為1 kW、重復(fù)頻率為2 MHz、脈寬為257 fs的脈沖輸出，對(duì)應(yīng)單脈沖能量約為500 μJ，這是超多通道相干合束技術(shù)的重要突破。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域也取得了顯著進(jìn)展。物理研究所、華中科技大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等團(tuán)隊(duì)在2到16通道的合束實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了超700 W的平均功率。

圖1 法國(guó)巴黎理工大學(xué)61路平鋪孔徑相干合成實(shí)驗(yàn)裝置圖

時(shí)間堆積：類似在時(shí)間軸上精準(zhǔn)排隊(duì)，通過(guò)延遲線或腔結(jié)構(gòu)等方式將多個(gè)子脈沖錯(cuò)時(shí)排列、精準(zhǔn)重疊，最終疊加成一個(gè)高能脈沖包。這要求每個(gè)子脈沖的時(shí)間、強(qiáng)度和相位控制得極其精準(zhǔn)，誤差必須比光波還小。美國(guó)密歇根大學(xué)在這方面走在前列，實(shí)現(xiàn)了81個(gè)脈沖堆積，輸出達(dá)25 mJ，如圖2所示。北京大學(xué)團(tuán)隊(duì)則較早開(kāi)展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)256個(gè)脈沖的堆積，為大通道數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了先導(dǎo)性驗(yàn)證。

圖2 美國(guó)密歇根大學(xué)與LBNL 4路空間合成、81個(gè)脈沖時(shí)域堆積實(shí)驗(yàn)裝置圖

時(shí)空合成：空間+時(shí)間的“雙管齊下”。將空間合束和時(shí)間堆積結(jié)合，就像在多個(gè)舞臺(tái)上排練不同樂(lè)章，最終在同一個(gè)樂(lè)譜下同步演奏，形成一場(chǎng)能量與節(jié)奏高度統(tǒng)一的光脈沖交響樂(lè)。2023年，德國(guó)耶拿大學(xué)完成了一次典型示范（圖3），16路空間合束×8個(gè)時(shí)間脈沖，輸出32 mJ、20 kHz、158 fs的飛秒激光，刷新了多個(gè)維度記錄。

圖3 德國(guó)耶拿大學(xué)16路空間合成、8個(gè)脈沖時(shí)域堆積實(shí)驗(yàn)裝置圖

除了相干合成，激光技術(shù)的“進(jìn)化賽道”上還涌現(xiàn)出一系列探索性或混合型的創(chuàng)新思路。如光學(xué)參量啁啾放大（OPCPA）技術(shù)，憑借超寬帶寬和少周期脈沖壓縮能力，在生成極短脈沖方面具有天然優(yōu)勢(shì)；而碟片激光器則以其高效率和優(yōu)良散熱結(jié)構(gòu)，在提升平均功率上表現(xiàn)突出。不過(guò)，這兩條路線也各有短板：OPCPA系統(tǒng)對(duì)泵浦光源要求，難以平衡高重復(fù)頻率與系統(tǒng)穩(wěn)定性；碟片激光目前則受限于增益帶寬，壓縮到超短脈寬存在難度，且在保持光束質(zhì)量和脈沖能量的同時(shí)面臨系統(tǒng)復(fù)雜性挑戰(zhàn)。放眼未來(lái)，這幾條技術(shù)路徑可能不會(huì)是彼此競(jìng)爭(zhēng)的對(duì)立面，而是互為補(bǔ)充、協(xié)同融合，共同支撐新一代超快激光平臺(tái)的構(gòu)建。

三、未來(lái)可期：激光合成，拼的不只是光

如今的飛秒激光早已不只是“一束光”，而演變?yōu)橐粋€(gè)高度復(fù)雜的超快光學(xué)系統(tǒng)。在時(shí)空相干合成中，控制每個(gè)通道的激光強(qiáng)度、相位、時(shí)間對(duì)齊都需要精準(zhǔn)。就像指揮一個(gè)多聲部交響樂(lè)團(tuán)，每個(gè)“演奏員”都得跟上節(jié)奏、合好拍。要讓這樣一個(gè)“多聲部樂(lè)團(tuán)”協(xié)調(diào)運(yùn)作，離不開(kāi)背后日益強(qiáng)大的電子控制系統(tǒng)。高帶寬的相位調(diào)制器、高速的電光器件、AI驅(qū)動(dòng)的實(shí)時(shí)反饋算法……這些看不見(jiàn)的電路，才是讓光脈沖“聽(tīng)話”的幕后英雄。

展望未來(lái)，數(shù)十乃至上百通道的空間合束、數(shù)百個(gè)脈沖的時(shí)域堆積，以及頻譜維度的協(xié)同合成，正飛秒激光從“架構(gòu)構(gòu)想”走向可實(shí)現(xiàn)的“系統(tǒng)能力”。通過(guò)多維協(xié)同控制，有望突破傳統(tǒng)單通道放大的瓶頸，全面釋放光場(chǎng)的系統(tǒng)潛力。如果說(shuō)CPA技術(shù)曾開(kāi)啟飛秒激光邁入PW級(jí)峰值功率時(shí)代，推動(dòng)其進(jìn)入場(chǎng)物理的應(yīng)用階段，那么今天的時(shí)空相干合成，則正在飛秒激光邁向“系統(tǒng)化架構(gòu)”階段。正如封面圖所示，可擴(kuò)展的脈沖數(shù)在時(shí)間和空間中協(xié)同演化，最終匯聚為一束高能量的光脈沖塔。它不僅是光的疊加，更展現(xiàn)出飛秒激光通過(guò)多通道協(xié)同邁向高能、高頻、高穩(wěn)定的新路徑。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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