摘要無論是在固體還是在光纖放大器中，飛秒的脈沖能量都受到熱效應和非線性效應的制約。即使是啁啾脈沖放大（CPA），也難以超越高峰值功率和平均功率的限制。脈沖空間和時間分割放大－合成，有可能打破僵局，產(chǎn)生高重復頻率和高脈沖能量；而將高功率光纖放大器中的脈沖進行相干堆積，有可能超越啁啾脈沖放大，得到高于其若  干數(shù)量級的脈沖能量，同時保持高重復頻率。

關鍵詞激光光學；相干脈沖堆積；相干光束合并，高功率脈沖

中圖分類號:0436

文獻標識碼  Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＬＯＰ５４．１２０００１

（華快首席科學家：張志剛教授）

一：引言

       2 0世紀6 0年代中期，調Ｑ和鎖模技術的相繼發(fā)明，使激光脈沖的功率有了較快的發(fā)展，但很快就到了一個平臺期。一直到2 0世紀8 0年代末期，啁啾脈沖放大技術的出現(xiàn)，使激光脈沖功率結束了二十余年的平臺期，再次經(jīng)歷了飛速發(fā)展。在脈寬不能繼續(xù)縮短的情況下，提供脈沖能量成為了一個關鍵。但是現(xiàn)在，脈沖能量似乎又停滯在一個平臺上，迫切需要新技術，來觸發(fā)一場新的激光革命。

第一代飛秒激光器是以染料激光器為代表的低脈沖能量、低平均功率飛秒激光器；第二代是以鈦寶石激 光器為代表的高脈沖能量、低平均功率的時代；第三代則是高重復頻率、高脈沖能量階段。第三代飛秒激光器以新一代激光粒子加速器、太空碎片清除、高通量阿秒脈沖產(chǎn)生、核聚變激光點火等應用為牽引動力，主要特征是：焦耳量級脈沖能量、數(shù)十千赫茲重復頻率、千瓦以上平均功率。特別是在射頻加速器的梯 度已經(jīng)接近其內(nèi)稟極限的情況下，高能量脈沖激光有望成為新一代小型化 ＧｅＶ 加速器的驅動源。

二：脈沖相干合成

２．１  以鈦寶石為代表的固體飛秒激光器

      以鈦寶石激光器為代表的固體激光器能產(chǎn)生非常高的峰值功率，例如美國伯克利激光加速器 ＢＥＬＬＡ 系統(tǒng)的鈦寶石激光器產(chǎn)生４０Ｊ、３０ｆｓ脈沖，峰值功率大于１ＰＷ（１ＰＷ＝１０１５ Ｗ）。但重復頻率低至１Ｈｚ，平均功率只有４０Ｗ。我國上海光學精密機械研究所研制的大口徑激光系統(tǒng)產(chǎn)生１９２Ｊ、２７ｆｓ、大于５ＰＷ峰值功率，只是單發(fā)脈沖。世界上其他拍瓦激光器，例如美國德克薩斯１ＰＷ釹玻璃激光器（１９０Ｊ，１７０ｆｓ）和日本大阪的２ＰＷ 激光快點火實驗（ＬＦＥＸ）釹玻璃激光器（２ｋＪ，１ｐｓ），也是單發(fā)。

提高重復頻率受限于放大介質中的熱－光效應，例如熱透鏡和熱致雙折射等。改變激光介質的形狀，例如碟片激光放大器，能部分地解決問題，但目前脈沖能量和脈寬還不能與鈦寶石激光器相比。最近捷克ＨｉＬＡＳＥ宣布建成平均功率１ｋＷ 的碟片超級激光器，脈沖能量高達１００Ｊ，但脈寬為１．３ｐｓ，重復頻率僅為１０ Ｈｚ。所以這個碟片激光器也不能達到以上列舉的前沿應用需求指標。提高脈沖能量和重復頻率的努力還在持續(xù)進行中。

２．２  光纖激光空間合束

      與固體激光器平行發(fā)展的是光纖激光器。由于散熱好、可集成、運用靈活，光纖激光器在平均功率、能量 轉換效率和光束質量上優(yōu)于固體激光器，單根光纖可以輸出成百甚至上千瓦的功率。但在啁啾脈沖光纖激 光放大器中，受光纖芯徑的和由此帶來的非線性效應限制，即使用最大模場面積的光子晶體光纖，將其用光 柵展寬器展寬到最大脈寬，在單根光纖中獲取的脈沖能量還是遠遠小于光纖中儲存的能量，峰值功率也只有吉瓦量級，已經(jīng)接近極限。其原因是非線性效應限制。從圖１看出，要想從光纖激光放大器中最大限度地獲取能量，除了用大模場面積光纖，脈沖寬度需要展寬到幾十上百納秒。而把一個１００ｆｓ的脈沖展寬成１０ｎｓ，脈沖展寬器中需要的光柵尺寸約為０．９ｍ，光柵距離約為２．７ｍ，這基本上是不現(xiàn)實的。

（圖1）

      １３５μｍ和５５μｍ兩種大模場面積光纖啁啾脈沖放大（ＦＣＰＡ）中脈沖能量受限。綠色圖框表示目ＦＣＰＡ達到的脈沖能量，紅色圈表示在 Ｂ積分受限下可能從光纖中抽取的脈沖能量。

      直觀的解決方案，是空間合束，即將脈沖分成若干路光纖分別放大再合成一路。這種技術最早用于連續(xù)激光，最近幾年擴展到飛秒脈沖激光。理論證明，可以將上千根光纖激光發(fā)出的光合束，以獲得單根光纖達不到的峰值功率和脈沖能量。受到這種理念的鼓舞，ＣＰＡ技術的發(fā)明者 Ｍｏｕｒｏｕ教授提出，將一萬根１ｍＪ、１０ｋＨｚ的光纖激光合束為１０Ｊ、１０ｋＨｚ的脈沖，作為將來的加速器光源和國際相干放大網(wǎng)絡（ＩＣＡＮ）計劃的一部分（圖２）。

      這里的技術問題是如何將上萬根光纖進行合束，每個光纖的相位都需要同步。實現(xiàn)起來雖然復雜，也不是不可能。目前實驗上剛剛達到８根光纖合束為１ｋＷ，１ｍＪ。我國國防科技大學也通過光纖合束得到。３１３Ｗ的平均功率、８２７ｆｓ的脈沖。

      其實這個方案不是控制一萬根光纖的相位這樣的技術問題，而是概念問題。所用的單根光纖放大的脈沖能量已經(jīng)達到極限，而加速器要求的重復頻率又太低，只有１０ｋＨｚ。即使單根光纖能提供１ｍＪ的脈沖能量，單根光纖輸出的平均功率也只有１０Ｗ，其實是浪費了光纖激光器高平均功率的能力。仔細想想，靠增加光纖的數(shù)目來提高脈沖能量，除了比固體激光器散熱好一些，與僅靠擴大放大介質的面積來增加功率耐受度 有什么區(qū)別？這是不是又回到了 ＣＰＡ 之前？這個ＣＰＡ 的開創(chuàng)者，怎么走了回頭路？

（圖2：光纖相干合束概念圖）

２．３  時域分割放大

      回頭想想，ＣＰＡ的概念是什么？就是把脈沖在時域展寬，再放大，然后再壓縮回去?？蓚鹘y(tǒng)的展寬器，最多也只能把脈沖展寬到１ｎｓ。所以光纖也好固體也好，都承受不了高峰值功率。能不能想個別的辦法展寬呢？有人說，把一個脈沖在時域上切成幾個脈沖，不就相當于在時域展寬了嗎？于是就有了脈沖分割放大。（圖3）

（圖3：時間分割— 等效于脈沖展寬）

     為解決這個矛盾，有研究者提出先利用多次偏振分光將脈沖在時域分割，經(jīng)過時間延遲，將重復頻率倍 增，耦合入一根光纖放大到高平均功率后，再次將脈沖分光、延時補償，使之合成為一個脈沖（圖４）。

這個技術稱為分割脈沖放大（ＤＰＡ）。這個技術要經(jīng)過放大前后兩次偏振分光（ＰＢＳ），兩套延遲控制和補償光路，非常復雜。而且，這種利用偏振分割和合成的脈沖的數(shù)目非常有限。時間分割和空間合束結合起來也許是解決之道。

（圖４：時間分割－相干合成裝置示意圖）

２．４  光譜分割放大

      還有一種方法叫光譜放大合成方法，即：將脈沖的光譜分割，分別放大，再合成在一起。（圖５）

（圖５：光譜分割－相干合成技術示意圖）

      光柵將入射脈沖的光譜展開，分成幾個光譜分量分別耦合到一種多芯光纖中，放大后再通過光柵合成。在分束光柵的傅里葉平面上，安裝變形鏡以調諧各波長分量的相對相位。在文獻的實驗中，將４０ｎｍ的光譜分成了１２個通道，每個接近３～３．８ｎｍ；耦合入１５芯的光纖中（有光纖芯沒用到）。放大到平均功率１００ｍＷ，否則就會有非線性效應產(chǎn)生。這個實驗只證明了光譜合成后可以產(chǎn)生１００ｆｓ量級的脈沖，而非高脈沖能量。

      這里致命的問題是，分割后光譜變窄為３ｎｍ，而這樣窄的光譜恰恰是啁啾脈沖展寬的大敵！例如原來４０ｎｍ 的光譜可以展寬至５００ｐｓ，現(xiàn)在分割到１／１２，每段光譜就只能展寬成５００ｐｓ的１／１２了！每根光纖（這里是每個芯）對應的峰值功率還是一樣的，仍然受非線性效應的限制。結果，雖然是分割放大，卻是個零和游戲—沒有一個分量的脈沖能量可以放大到超過合起來放大的脈沖能量的１／１２。

２．５  衍射光學合成

      這里還穿插著另外一種空間合成方法，叫衍射合成。設想將入射光按不同級次的角度入射到光柵上，使其集中到零級光上。要想得到多級衍射，就得用光柵密度低的；而低密度光柵的衍射效率就會低，因為 不可能只有一級衍射；為提高效率，很容易想到閃耀光柵；可要是對這么多級次都閃耀，還叫閃耀光柵嗎？同 時，能合成的光束數(shù)目也非常有限。其實這只是空間合束的一個版本而已。

（圖６：利用衍射器件這里是光柵的光束合成裝置示意圖）

從圖６ 可以看出，入射４ 束，合成出７束光！零級光所占的比例能有多少呢？實驗結果是７６％。原理上用一個光柵就可以。但是衍射后的光束會有脈沖陣面傾斜。為了糾正這個傾斜才用了兩個光柵，雖然犧牲了一些效率。

      這４束光是從哪兒來的呢？還是偏振分割而成的，只不過合成不是用偏振而已。圖７ 是整個系統(tǒng)的構成圖。無論如何，用壓電陶瓷控制光束的相對相位是不可避免的。

（圖７：時間分割－衍射合成裝置示意圖）

２．６  相干脈沖堆積

      脈沖分割放大合成是靠偏振分割，畢竟數(shù)目有限，而且分合都需要偏振和時間延遲控制。如果把脈沖列看成已經(jīng)分割好的脈沖，直接把脈沖在時域合成，就像圖８那樣，可以嗎？

（圖８ 脈沖時間堆積概念）

      人們首先想到的就是腔增強技術。腔增強時域脈沖合束不需要脈沖分割，不需要偏振控制，直接將脈沖列中大量脈沖在腔內(nèi)疊加在一起，因此也稱相干脈沖堆積放大（ＣＰＳＡ）技術。相干脈沖堆積腔的腔型可分為兩種：高Ｑ值腔（高精細度腔）和低Ｑ值腔（低精細度腔），區(qū)別是輸入耦合鏡的反射率和堆積后的脈沖從腔內(nèi)的導出方式。

（圖９高Ｑ值腔相干脈沖ＳｎＤ技術示意圖）

高Ｑ值腔的脈沖腔內(nèi)增強堆積放大技術見：圖９

      圖中ｆｒｅｐ是入射脈沖的重復頻率，ｆｓｗｉｔｃｈ是腔內(nèi)開關的重復頻率，ＨＲ表示高反射鏡。圖９中入射耦合鏡的反射率Ｒ在９９％以上。將脈沖序列連續(xù)注入與脈沖時間間隔相等的諧振腔，脈沖被局限在腔內(nèi)相干堆積，達到飽和后，通過高速光開關將腔內(nèi)脈沖倒空（注意不是從入射端鏡輸出）。此技術稱為堆積和腔倒空（ＳｎＤ）技術。模擬表明在高Ｑ值腔可堆積６００多個脈沖。如果導出效率能達到８０％，相當于５００倍的增強。

      耶拿大學的研究者最近實驗證實了腔增強ＳｎＤ概念。增強腔由一個輸入耦合鏡和１５個腔鏡構成，輸入耦合鏡的反射率是９９％。腔倒空光開關選用了聲光調制器（ＡＯＭ）。輸入脈沖能量３μＪ，腔倒空出的脈沖能量為１６０μＪ，能量倍增效率是６５倍（遠低于理想的６００倍，受限于腔內(nèi) ＡＯＭ的非線性效應），脈寬為８００ｆｓ。ＳｎＤ有兩點限制：一是為了適應腔內(nèi)光開關ＡＯＭ幾十納秒的上升沿和下降沿時間，這個實驗中，諧振腔相當長（３０ｍ），與之匹配的入射脈沖列的重復頻率為１０ＭＨｚ；二是為了減少 ＡＯＭ的上升沿時間，在ＡＯＭ上的光斑也相當小（０．４ｍｍ），這對進一步提高脈沖能量不利。為了提高功率耐受性，他們又提出了高速機械開關。對于高Ｑ值腔增強，Ｍｏｕｒｏｕ教授認為腔倒空開關并不存在。的確，面對如此高的脈沖能量，無論是電光調制器（ＥＯＭ），還是 ＡＯＭ，都無法承受得住。Ｍｏｕｒｏｕ教授進一步指出，高速機械開關本質上還是機械開關，機械不可能有那么高的速度。

     密歇根大學的 Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ教授提出了用低Ｑ值腔將脈沖疊加在一起的概念。在低Ｑ值腔內(nèi)堆積放大技術中，入射耦合鏡的反射率很低，在４０％左右。脈沖的耦合入腔和導出都利用干涉效應，所以又稱Ｇｉｒｅｓ－Ｔｏｕｒｎｏｉｓ干涉儀（ＧＴＩ）。以４個脈沖的脈沖列為例，如圖１０所示，編號３、２、１、０的脈沖相繼入射到輸入耦合界面，為了顯示清楚，圖中用斜入射兩鏡腔表示。３號脈沖的６０％入射到腔內(nèi)，經(jīng)底層反射鏡和頂層反射鏡反射，與２號脈沖的入射部分在腔內(nèi)相干疊加堆積；而２號脈沖在界面的反射光與３號脈沖的透射光相干相消。同理，１號脈沖與腔內(nèi)３號和２號脈沖相干堆積，而最后入射的０號脈沖，其能量與腔內(nèi)堆積的脈沖能量相等、相位相同，形成相干反射增強，相當于一個開關，將腔內(nèi)脈沖全部導出。這種技術稱為 ＧＴ 相干堆積（ＧＴＩ－ＣＰＳ）。美中不足的是，最初的３號脈沖的反射光沒有與之干涉相消的腔內(nèi)脈沖，因此就留在了反射光脈沖列內(nèi)。但因時間與輸出脈沖相隔很遠，與最終輸出的脈沖相比，３號脈沖的反射光能量占比非常小，可以忽略，也可以通過選單技術將其消除。

（圖:10：低Ｑ值 ＧＴ腔相干脈沖堆積器工作原理圖）

      實際應用的 ＧＴＩ堆積器是圖１１（根據(jù)參考文獻改畫）所示的四鏡或三鏡腔。需要指出的是，這種ＧＴ腔型看起來和薩尼亞克干涉儀相似，實際上是不同的：入射耦合鏡的方向相差９０°，結果是，ＧＴＩ腔內(nèi)只有一個方向的光循環(huán)，而薩尼亞克干涉儀腔內(nèi)有兩個相對方向的光循環(huán)。

（圖:11：實際使用的（ａ）四鏡腔和（ｂ）三鏡腔 ＧＴＩ堆積器；（ｃ）薩尼亞克干涉儀）

      實際上激光器輸出的是等幅度脈沖列，幅度調制意味著能量損失。好在理論和實驗證明，對于等幅入射的脈沖列，只要滿足以上相位條件，用ｍ 個腔相聯(lián)，能將２ｍ＋１等幅脈沖合成為一個脈沖。如ｍ＝４，即４個腔，就可以把９個等振幅的入射脈沖合成為一個主脈沖；ｍ＝８，就可以把１７個等振幅的入射脈沖合成為一個主脈沖。更進一步，如果想加速這個過程，可用級聯(lián)堆積，即下一級堆積器的腔長是前一級的ｍ＋１ 倍。

      Ｎ級級聯(lián)就可以將（２ｍ＋１）Ｎ個相干脈沖堆積為一個。如圖１２（圖中堆積器未按比例畫）所示，兩級４＋４個腔，就可以堆積８１個脈沖。脈沖列被切割為８１個脈沖一組，脈沖組的重復頻率可根據(jù)應用需求設置，例如１０ｋＨｚ。一級堆積器將８１個相干脈沖堆積為９個脈沖；二級堆積器將９個相干脈沖堆積為１個脈沖。Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ研究小組用本研究小組提供的１ＧＨｚ光纖激光器，通過一級 ＧＴＩ堆積器，將１ｎｓ間隔的９個０．１ｍＪ的脈沖合成為接近１ｍＪ能量的脈沖［３１］；他們又通過一級堆積器，將２７個相干脈沖堆積為一個脈沖。

（圖12：二級相干脈沖堆積示意圖）

      圖１３是實驗得到的脈沖堆積結果，圖中紅色是入射的２７個脈沖，藍色是經(jīng)過４＋１個腔將２７個脈沖堆積為一個脈沖?？梢钥吹剑肷涿}沖基本上被壓了下去，堆積到第２７個脈沖上。

對于這個進步，Ｍｏｕｒｏｕ教授同樣有疑問：Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ研究小組得到的脈沖的對比度（２０ｄＢ）與Ｍｏｕｒｏｕ所得脈沖的對比度（１２０ｄＢ）差距較大。從圖１３可見，第９個脈沖因為無脈沖與之相干相消，只好以大約２倍于入射脈沖的功率，孤零零地留在脈沖列中；主脈沖附近也有脈沖殘留。如同任何一個新技術，總 會有缺點。

（圖13  ４＋１個腔的腔內(nèi)脈沖堆積后的脈沖列）

２．７  只有多種技術合起來才能達到最高脈沖能量，目前從０．１ｍＪ堆積出的脈沖能量是毫焦量級。        

      對于很多應用，例如飛秒加工，已經(jīng)夠用了。要達到焦耳量級，則需要用更多級堆積。而多級腔，每一級腔長都是前一級腔長的數(shù)倍。例如１ ＧＨｚ激光器作為種子脈沖，一級堆積腔長是３０ｃｍ，二級堆積腔長是２．７ｍ，三級堆積腔長是２４．３ｍ，四級腔的腔長就是２１８．７ｍ！之后級次的腔長更會大得驚人！多通長腔的方案因反射損耗巨大也變得不可行。

怎么辦？圖１４給出焦耳量級脈沖的裝置構想。高重復頻率光纖激光器輸出的脈沖，經(jīng)過展寬和振幅相位調制，在空間分成若干路放大，然后空間合束。最后是脈沖的時域堆積和脈沖壓縮。注意這里不同于Ｍｏｕｒｏｕ教授的空間分割放大合束概念的是，放大器中的光脈沖的重復頻率很高，而不是幾十千赫茲。也不同于耶拿大學的ＳｎＤ技術，其方案是在倒空后空間合束。說到這才明白，原來相干堆積是放大的最后一級！別誤會，如果不需要焦耳量級的脈沖，不分束直接放 大、堆積也是可以的。

（圖１４焦耳量級飛秒脈沖激光產(chǎn)生設想裝置）

３ 結 論

      為了飛秒脈沖能量和平均功率的進一步提高，人們不斷地推出新的技術。在眾多的新技術中，也許相干脈沖堆積技術與其他分束合成技術的結合，有希望將脈沖能量和平均功率提高幾個數(shù)量級。

相干脈沖堆積技術剛剛推出，還有很多技術問題沒解決，例如：

      １）信噪比。如圖１３所示，目前實驗中的信噪比不到２０ｄＢ。計算至少可達４０ｄＢ。提高信噪比，需要對脈沖的重復頻率、相位和堆積腔長進行嚴格的控制和同步。這么多腔的同時控制和同步，是一個艱巨的 任務。

      ２）脈沖寬度。上述討論一直沒提脈沖寬度，目前堆積出來的脈沖還是在幾百飛秒量級。脈沖寬度小于１００ｆｓ，甚至是單周期脈沖也可以做到，這就需要提高脈沖在更寬譜內(nèi)的相干性，即脈沖光譜的頻率間隔和載波包絡相位的精確控制。

      激光光場的精確控制。因為是相干堆積，需要提高飛秒激光脈沖的相干性，這就需要激光器本身更加穩(wěn) 定，包括載波包絡相位控制、所有（上百個）脈沖堆積腔的腔長，也需要更加精確的控制。這是新的光場調控 的要求。這么多參數(shù)，這么多自由度，無法通過人為控制。于是就催生了一門新的學科：智能光子學。