在過去幾年中，由于受到熱致模式不穩(wěn)定性和非線性效應的影響，單一光纖放大器所能產(chǎn)生的平均功率、脈沖能量和峰值功率等性能指標，已經(jīng)遇到難以克服的瓶頸。解決該問題的有效途徑是利用多路光纖放大器分別放大超快脈沖，之后進行多光束相干合成。該技術有望顯著提高超快光纖激光的性能參數(shù)(如高重復速率下的焦耳級脈沖能量)，進一步拓展其更廣泛的應用（比如應用于強場物理、激光粒子加速等)。
德國Jena課題組是該技術的開拓者。他們在2017年報道了利用集成化程度比較高的16個分離的光纖放大通道對光束進行放大再合束 [1]，實驗裝置如圖1所示。在主放大器之前，通過脈沖展寬器將脈沖展寬并用空間光調(diào)制器調(diào)節(jié)其相位，隨后又經(jīng)過3個PM980光纖、兩個聲光耦合器、2級模場直徑分別為42 μm及56 μm的大軸距光纖進行了預放大，得到了50 w左右的功率。在該工作中，主放大器增益光纖為大模場面積棒狀光纖?？臻g合成系統(tǒng)在分束時是用偏振分光器和半波片把光束先分為上下兩束再進一步把上下的光束各分成并列的八束。為了提高合成效率和光束品質(zhì)，該系統(tǒng)利用半波片及四分之一波片對非線性偏振旋轉(zhuǎn)進行補償；每個通道均有壓電驅(qū)動的反射鏡，用于穩(wěn)定每路的相位。最終通過集成的布儒斯特型薄膜偏振器完成合束后，再利用Treacy型光柵壓縮器對脈沖進行壓縮。
圖1 基于16個單一光纖放大器的多路相干合成摻鐿超快光纖激光系統(tǒng)
在合束結(jié)果方面，空間合成系統(tǒng)最終的總功率為1830 w，合束效率為82％，光譜寬度10.2 nm（圖2左），脈沖寬度為234 fs（圖2右），其變換極限脈寬為200 fs。未進行最終合束的上下兩層光束功率均為1 kw左右，上下兩層的合束效率分別為95％和91％，光束的質(zhì)量因子均為1.3。
圖2 合束后光譜（左）和自相關曲線（右）
光束為偏橢圓形的高斯光束（圖3左），光束的質(zhì)量因子大約為3，質(zhì)量較差，主要來源于用于合束的偏振器的熱效應（圖3右）。將來可以通過將該偏振器換成具有低吸收鍍膜的薄膜偏振器，避免熱透鏡效應；另一個可改進之處是將最后的透鏡式telescope換成mirror telescope。通過這兩項改進，可以提高光束質(zhì)量，有望獲得2 kw功率、合束效率90％且光束質(zhì)量因子小于1.3的高能量飛秒脈沖。
圖3 空間合成后的光束（左）和展示了熱透鏡效應的TFP熱成像圖（右）
為了進一步小型化該系統(tǒng)，Jena課題組對上述方案進行了重大改進，改進后的系統(tǒng)如圖4所示 [2]。
圖4 基于集成器件的16通道相干合成摻鐿超快光纖激光系統(tǒng)
該系統(tǒng)放大的主體部分是多纖芯的摻鐿光纖(如圖5所示），集成化程度更高，顯著降低了系統(tǒng)的復雜程度。
圖5 16纖芯光纖端面示意圖
(a)光纖端面 (b)放大的自發(fā)輻射 (c)放大信號輸出
該系統(tǒng)使用兩組分段鏡面分束器將一束入射光在空間上分成16個光束。這種分束器由一塊高反鏡以及一個包含并排的四種不同反射率區(qū)域的鏡面組成，反射率分別為0、50％、66％、75％，把初始光束分為4×4的矩陣，再用偏振分光器或4焦距系統(tǒng)來調(diào)節(jié)光束矩陣的間距，送到多纖芯光纖的端面。
多纖芯光纖合成系統(tǒng)則將光束通過了一個4×4的壓電調(diào)控鏡面矩陣來維持相位穩(wěn)定（圖6），借由鏡面反射過程中發(fā)生的光束水平豎直方向翻轉(zhuǎn)減小了在最后telescope處的球差。鏡面矩陣之前放置了透鏡矩陣，把鏡面安裝時微小的傾斜轉(zhuǎn)化為橫向的光束偏移，從而減小光束矩陣的畸變。之后，利用四分之一波片調(diào)節(jié)光束的偏振。為避免各個通道之間存在熱耦合，該課題組優(yōu)化了纖芯直徑以及各纖芯之間的間距。整個系統(tǒng)為filled-aperture結(jié)構(gòu)，有利于提高合束效率。
圖6 用于相位調(diào)節(jié)反饋的信號光束（未良好干涉光束，多為高階模光束）
經(jīng)過多纖芯光纖放大后的光束又一次經(jīng)過兩級分段鏡面，從而把16束光合束，其光束質(zhì)量因子小于1.2（圖7左），可以獲得近衍射極限大小的光斑（圖7右）。
圖7 多纖芯光纖系統(tǒng)光束M2測量（左）和合成后光束（右）
目前基于多纖芯光纖的合成系統(tǒng)還處于發(fā)展初期，Jena課題組只是進行了原理驗證。在該實驗中，系統(tǒng)平均功率僅有70 w功率，脈寬為40 ps，合束效率為80％。多纖芯光纖合成系統(tǒng)的進一步研究，依賴于提高多纖芯光纖的制造工藝，使得纖芯矩陣排列更均勻，同時減小高階模傳輸帶來的損耗，并避免不同纖芯間的模式耦合。增加多纖芯光纖的纖芯數(shù)量也有利于進一步提高功率，但也要仔細研究如何對該種光纖進行熱量管理。
參考文獻：
[1] M. Mueller, A. Klenke, H. Stark, J. Buldt, T. Gottschall, J. Limpert, and A. Tünnermann, "16 Channel Coherently-Combined Ultrafast Fiber Laser," in Laser Congress 2017 (ASSL, LAC), OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2017), paper AW4A.3.
[2] A. Klenke, M. Müller, H. Stark, F. Stutzki, C. Hupel, T. Schreiber, A. Tünnermann, and J. Limpert, "Coherently combined 16-channel multicore fiber laser system," Opt. Lett. 43, 1519-1522 (2018)
來源：光波常 ，作者賈雪琦
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