1960年代中期，調(diào)Q和鎖模技術(shù)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(gè)平臺(tái)期。一直到1980年代末期，啁啾脈沖放大技術(shù)的出現(xiàn)，使激光脈沖功率結(jié)束了二十余年的平臺(tái)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(gè)關(guān)鍵。但是現(xiàn)在，脈沖能量似乎又停滯在一個(gè)平臺(tái)上，迫切需要新技術(shù)，來(lái)觸發(fā)一場(chǎng)新的激光革命。
本文旨在簡(jiǎn)要說(shuō)明各種提高飛秒激光脈沖能量和平均功率的技術(shù)，試圖使讀者對(duì)各種新技術(shù)有個(gè)基本的了解和判斷。
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脈沖相干合成
這么多方案，很糾結(jié)
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以鈦寶石為代表的固體飛秒激光器——
難以兼顧高能量與高重復(fù)頻率
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，但是重復(fù)頻率普遍很低。例如美國(guó)伯克利激光加速器BELLA系統(tǒng)的鈦寶石激光器、我國(guó)上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制的大口徑激光系統(tǒng)，就連最近捷克HiLASE宣布建成平均功率1 kW的碟片超級(jí)激光器，也難逃厄運(yùn)：脈沖能量高達(dá)100 J，但脈寬為1.3 ps，重復(fù)頻率僅為10 Hz。
提高重復(fù)頻率，受限于放大介質(zhì)中的熱-光效應(yīng)，例如熱透鏡和熱致雙折射等。改變激光介質(zhì)的形狀，例如碟片激光放大器，能部分地解決問(wèn)題，但目前脈沖能量和脈寬還不能與鈦寶石激光器相比。提高脈沖能量和重復(fù)頻率的努力仍在持續(xù)進(jìn)行中。
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光纖激光空間合束——
“揚(yáng)短避長(zhǎng)”，又倒退回CPA之前？
與固體激光器平行發(fā)展的是光纖激光器。但在啁啾脈沖光纖激光放大器中，受光纖芯徑和由此帶來(lái)的非線性效應(yīng)限制，峰值功率也只有GW，已經(jīng)接近極限。
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(shù)最早用于連續(xù)激光，最近幾年擴(kuò)展到飛秒脈沖激光。但是如何將上萬(wàn)根光纖的合束，每個(gè)光纖的相位且都需要同步，技術(shù)上可行嗎？實(shí)現(xiàn)起來(lái)雖然復(fù)雜，也不是不可能。
啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)的發(fā)明者G. Mourou 教授目前實(shí)驗(yàn)上剛剛錄得8根光纖合束為1 kW，1 mJ。我國(guó)國(guó)防科技大學(xué)也通過(guò)光纖合束得到313 W 的平均功率、827 fs的脈沖。
仔細(xì)想想，靠增加光纖的數(shù)目來(lái)提高脈沖能量，除了比固體激光器散熱好一些，與僅靠擴(kuò)大放大介質(zhì)的面積來(lái)增加功率耐受度有什么區(qū)別？這是不是又回到了CPA之前？唉，這個(gè)CPA 的開(kāi)創(chuàng)者，怎么走了回頭路？
圖1 光纖相干合束概念圖。①種子源激光器；②脈沖展寬；③分束；④多級(jí)放大；⑤合束和脈沖壓縮；⑥聚焦；⑦>10 J, 10 kHz 脈沖
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時(shí)域分割放大——翻餅烙餅來(lái)回折騰
啁啾脈沖放大的概念是什么？就是把脈沖在時(shí)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1 ns。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(gè)別的辦法展寬呢？有人說(shuō)，把一個(gè)脈沖在時(shí)域上切成幾個(gè)脈沖，不就相當(dāng)于在時(shí)域展寬了嗎？于是就有了脈沖分割放大（圖2）。
圖2 時(shí)間分割——等效于脈沖展寬
為解決這個(gè)矛盾，有人提出先利用多次偏振分光將脈沖在時(shí)域分割，經(jīng)過(guò)時(shí)間延遲，將重復(fù)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(shí)補(bǔ)償，使之合成為一個(gè)脈沖。這個(gè)技術(shù)稱為分割脈沖放大。
這個(gè)技術(shù)要經(jīng)過(guò)放大前和放大后兩次偏振分光，兩套延遲控制和補(bǔ)償光路，非常復(fù)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(shí)間分割和空間合束結(jié)合起來(lái)也許是解決之道。
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光譜分割放大——背著抱著一邊沉
還有一種叫光譜放大合成方法。將脈沖的光譜分割，分別放大，再合成在一起。這里致命的問(wèn)題是，分割后光譜變窄，而這樣窄的光譜恰恰是啁啾脈沖展寬的大敵！例如原來(lái)40 nm的光譜可以展寬至500 ps，現(xiàn)在分割到1/12，每段光譜就只能展寬成500 ps的1/12了！每根光纖（這里是每個(gè)芯）對(duì)應(yīng)的峰值功率還是一樣的，仍然受非線性效應(yīng)的限制。結(jié)果，雖然是分割放大，卻是個(gè)零的游戲——沒(méi)有一個(gè)分量的脈沖能量可以放大到超過(guò)合起來(lái)放大的脈沖能量的1/12！
圖3 光譜分割相干合成技術(shù)示意圖
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衍射光學(xué)合成——顧此失彼
這里還穿插著另外一種空間合成方法，叫衍射合成。設(shè)想將入射光按不同的級(jí)次的角度入射到光柵上，使其集中到零級(jí)光上。要想得到多級(jí)衍射，就得用光柵密度低的；而低密度光柵的衍射效率就會(huì)低，因?yàn)椴豢赡苤挥幸患?jí)衍射；為提高效率，很容易想到閃耀光柵；可要是對(duì)這么多級(jí)次都閃耀，還叫閃耀光柵嗎？同時(shí)，能合成的光束數(shù)目也非常有限。
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相干脈沖堆積——終極的選擇？
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(shí)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(shí)域合成，就像圖4那樣，可以嗎？
圖4 脈沖時(shí)間堆積概念
人們首先想到的就是腔增強(qiáng)技術(shù)。腔增強(qiáng)時(shí)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技術(shù)。相干脈沖堆積腔的腔型可分為兩種：高Q值腔（高精細(xì)度腔）和低Q值腔（低精細(xì)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(dǎo)出方式。
圖5 高Q值腔相干脈沖堆積-腔倒空 (SnD) 技術(shù)示意圖。frep是入射脈沖的重復(fù)頻率；
fswitch是腔內(nèi)開(kāi)關(guān)的重復(fù)頻率。HR：高反射鏡。
高Q值腔的脈沖腔內(nèi)增強(qiáng)堆積放大技術(shù)見(jiàn)圖5：入射耦合鏡的反射率在99%以上。將脈沖序列連續(xù)注入與脈沖時(shí)間間隔相等的諧振腔，脈沖被局限在腔內(nèi)相干堆積，達(dá)到飽和后，通過(guò)高速光開(kāi)關(guān)將腔內(nèi)脈沖倒空（注意不是從入射端鏡輸出）。此技術(shù)稱為堆積和腔倒空(SnD)技術(shù)。模擬表明在高Q值腔可堆積600多個(gè)脈沖。如果導(dǎo)出效率能達(dá)到80%，相當(dāng)于500倍的增強(qiáng)。
低Q值腔內(nèi)堆積放大技術(shù)中，入射耦合鏡的反射率很低，在40%上下。脈沖的耦合入腔和導(dǎo)出都利用干涉效應(yīng)，所以又稱“GT”干涉儀。
圖6 低Q值GT腔相干脈沖堆積器工作原理圖。為了顯示清楚，用斜入射兩鏡腔表示。入射的脈沖列中每個(gè)脈沖和位相是調(diào)制的，脈沖3、2、1 從腔內(nèi)出射的光相繼被位相相反的反射光干涉相消，因而在腔內(nèi)“堆積”；最后一個(gè)入射脈沖與腔內(nèi)堆積脈沖同位相，因此被導(dǎo)出。最先入射的脈沖3在GT表面的反射沒(méi)有脈沖與其相消，留在輸出的脈沖列中，在總的脈沖能量中占比不大。
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結(jié)論
夢(mèng)想終將實(shí)現(xiàn)
為了飛秒脈沖能量和平均功率的進(jìn)一步提高，人們?cè)诓粩嗤瞥鲂碌募夹g(shù)。在眾多的新技術(shù)中，也許相干脈沖堆積技術(shù)與其他分束合成技術(shù)的結(jié)合，有希望將脈沖能量和平均功率提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)。圖7是焦耳量級(jí)脈沖的裝置構(gòu)想。高重復(fù)頻率光纖激光器輸出的脈沖，經(jīng)過(guò)展寬和振幅位相調(diào)制，在空間分成若干路放大，然后空間合束。最后是脈沖的時(shí)域堆積和脈沖壓縮。注意這里不同于Mourou先生的空間分割放大合束概念的是，放大器中的光脈沖是高重復(fù)頻率的，而不是幾十kHz。也不同于Jena大學(xué)SnD，其方案是在倒空后空間合束。
圖7 焦耳量級(jí)飛秒光纖激光產(chǎn)生裝置
還有一種方案，仍是在高重復(fù)頻率激光器基礎(chǔ)上，把脈沖進(jìn)行偏振和相位調(diào)制，再用偏振合成，但文章篇幅有限，在這里不作細(xì)說(shuō)，感興趣的同仁可以查詢相關(guān)資料。
本文摘編自張志剛發(fā)表于《激光與光電子學(xué)進(jìn)展》2017.54（12）期的“相干脈沖堆積——超越啁啾脈沖放大的新技術(shù)”，詳細(xì)版歡迎參閱當(dāng)期內(nèi)容。
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