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(chǎng)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(shí)現(xiàn)了平均功率千瓦級(jí)以及單脈沖能量mJ級(jí)的超快激光輸出。

       盡管CPA技術(shù)極大地推動(dòng)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(duì)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(guó)防科技大學(xué)周樸研究員、李燦副研究員所在團(tuán)隊(duì)針對(duì)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(duì)超快激光相干合成、窄脈寬飛秒激光技術(shù)、噪聲抑制以及人工智能賦能CPA技術(shù)等前沿方向進(jìn)行了展望。

       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(chǎng)直徑，可有效抑制非線性效應(yīng)。

       在1 μm波段，德國(guó)耶拿大學(xué)課題組早在2010年基于大模場(chǎng)摻鐿光纖（EDF）實(shí)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?jī)H有10.6 μJ。為了降低系統(tǒng)的非線性效應(yīng)并實(shí)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(chǎng)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(chǎng)棒狀PCF已實(shí)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(shí)現(xiàn)了毫焦量級(jí)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(zhǎng)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(jí)結(jié)構(gòu)，采用0.79 μm LD泵浦TDF可實(shí)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(jí)（實(shí)驗(yàn)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(jí)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(chǎng)棒狀PCF由于難以與普通光纖相熔接，信號(hào)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(chǎng)直徑有限，易產(chǎn)生強(qiáng)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(jí)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(guó)PolarOnyx公司基于纖芯/包層直徑為30/400 μm的YDF實(shí)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(guó)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(guó)防科技大學(xué)課題組通過級(jí)聯(lián)CFBG的方式將種子信號(hào)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(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。此外，縮短光纖長(zhǎng)度也可有效降低非線性效應(yīng)。美國(guó)Raydiance公司和俄羅斯等單位采用自行設(shè)計(jì)的高摻雜YDF均實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)了中心波長(zhǎng)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(jí)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(jí)。

       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(qiáng)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(guó)防科技大學(xué)課題組實(shí)現(xiàn)了基于TDF的百瓦級(jí)全光纖CPA系統(tǒng)（實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示）。通過實(shí)施高效的熱管理并優(yōu)化光纖盤繞直徑以增強(qiáng)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(jí)全光纖CPA系統(tǒng)

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(shí)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(shí)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(guó)IMRA公司通過光譜預(yù)整形和高階色散調(diào)控，實(shí)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(guó)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(shí)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(shí)現(xiàn)窄脈寬飛秒激光輸出。未來，通過綜合運(yùn)用以上技術(shù)手段，有望實(shí)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(cè)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(dú)特優(yōu)勢(shì)，其具備優(yōu)異的相位鎖定能力和低時(shí)序抖動(dòng)，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(shí)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(jī)制，發(fā)展多參數(shù)協(xié)同反饋控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)強(qiáng)度、相位及偏振等多個(gè)維度的噪聲同步抑制，有望最終實(shí)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(dòng)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(jì)。例如，基于不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，研究人員實(shí)現(xiàn)了在毫秒量級(jí)內(nèi)對(duì)PCF的非線性系數(shù)、色散、折射率等參數(shù)的快速預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)速度較傳統(tǒng)數(shù)值計(jì)算方法快三個(gè)數(shù)量級(jí)以上，并有望實(shí)現(xiàn)PCF的逆向設(shè)計(jì)。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(hào)的光譜強(qiáng)度與相位分布，從而實(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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。

       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(duì)窄脈寬、低噪聲、高穩(wěn)定性的超快光源需求日益增長(zhǎng)，將推動(dòng)著超快激光的性能參數(shù)不斷精雕細(xì)琢；與此同時(shí)，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(dòng)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(jī)遇，推動(dòng)超快光纖激光在精密制造、生物醫(yī)學(xué)、強(qiáng)場(chǎng)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(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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