從鎖模到CPA放大 ——飛秒光纖激光器中的物理

文/邵國棟 武漢華日精密激光股份有限公司

刊載于《激光世界》2018年11/12月 第6期

前言

北京時(shí)間10月2日下午，瑞典皇家科學(xué)院公布了2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，由來自于美國的Arthur Ashkin，法國的Gerard Mourou和他的學(xué)生、 加拿大的Donna Strickland女士三位物理學(xué)家分享了這今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。本次獎(jiǎng)項(xiàng)的50%授予Arthur Ashkin的“光鑷及其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用”，另一半授予Gerard Mourou和Donna Strickland的“啁啾脈沖放大技術(shù)(Chirped Pulse Amplification，CPA)，用于生成高強(qiáng)度的超短脈沖激光的方法”。這一讓所有超快激光研究人員振奮的新聞，把啁啾脈沖放大這個(gè)讀起來有點(diǎn)繞口甚至有些人都不會(huì)念的專業(yè)術(shù)語放大到了公眾面前。在諾獎(jiǎng)委員會(huì)的官方新聞稿里，他們是如下描述CPA技術(shù)的：

"First they stretched the laser pulses in time to reduce their peak power, then amplified them, and finally compressed them. If a pulse is compressed in time and becomes shorter, then more light is packed together in the same tiny space – the intensity of the pulse increases dramatically."

對于激光放大器來講，在激光材料損傷閾值和非線性效應(yīng)如自聚焦等其他物理因素的限制下，放大器對于可達(dá)到的激光脈沖峰值功率有一個(gè)上限，使用傳統(tǒng)對種子脈沖直接放大的方法無法突破這個(gè)物理限制。因此Mourou他們提出了一個(gè)方法：先在時(shí)域上展寬需要放大的脈沖（一般是通過延時(shí)線，Dispersion delay line），在單脈沖能量不變的情況下降低峰值功率；然后再對展寬后的脈沖進(jìn)行放大，這樣在放大到同樣峰值功率時(shí)，由于脈寬的展寬，能得到的單脈沖能量就更大，最后時(shí)域壓縮脈沖（一般通過相反色散量的延時(shí)線），就可以獲得更高峰值功率的脈沖。

如果只是像上述那樣定性地解釋CPA技術(shù)的話，即使是非專業(yè)人士也能讀懂，甚至覺得的很簡單，有些人就會(huì)問類似的問題：“為什么普通調(diào)Q或者M(jìn)OPA脈沖光纖激光器不能通過CPA技術(shù)放大到更高能量呢？”想要回答這個(gè)問題，就必須對CPA技術(shù)的物理原理和飛秒光纖激光器背后的物理做一番解釋了，而且想要研發(fā)飛秒光纖激光器的話，必須對飛秒光纖激光器中的物理原理需要理解非常清楚才行，不然設(shè)計(jì)出來的激光器可能就會(huì)有問題。借諾貝爾獎(jiǎng)的東風(fēng)，作者結(jié)合自己的學(xué)術(shù)研究方向，和在武漢華日激光從事高功率飛秒光纖激光器的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，從鎖模原理出發(fā)，結(jié)合CPA技術(shù)，與大家簡要討論一下飛秒光纖激光器背后的物理原理，希望通過這篇文章能夠讓更多人了解超快激光，從而推動(dòng)激光器和超快激光加工的發(fā)展。

1、鎖模

鎖模（Mode locking）是激光器產(chǎn)生超短脈沖的方法之一，與調(diào)Q（Q-Switching）相類似，鎖模也是對激光器腔內(nèi)進(jìn)行調(diào)制，讓原本連續(xù)光（Continuous wave, CW）分裂，從而產(chǎn)生脈沖。但是鎖模與調(diào)Q僅僅是在物理現(xiàn)象上有所相似，其物理原理是完全不一樣的。本章從鎖模的物理原理出發(fā)，介紹一下鎖模脈沖的特性和目前通用的鎖模方法。

1.1 鎖的是什么“模”？

調(diào)Q，顧名思義，是對激光器腔內(nèi)的Q因子進(jìn)行調(diào)制，本質(zhì)上是一種損耗調(diào)制，結(jié)合增益介質(zhì)的增益特性產(chǎn)生脈沖。而鎖模這個(gè)詞就沒有那么直觀了，鎖頻激光器（Frequency locked laser）有些人可能聽說過，是通過外腔反饋等方法將激光器的輸出波長鎖定在非常窄的頻率范圍。但是鎖模激光器是鎖定的什么“模”呢？這就得從激光器的模式說起。

通常大家在討論連續(xù)激光器和普通脈沖激光器時(shí)，會(huì)遇到“500 W單模連續(xù)光光纖激光器”、“200 W多模脈沖光纖激光器”之類的說法，這里提到的“單模”、“多模”里面的激光模式是指的激光的橫模（Transverse Mode），即激光器輸出光斑的空間分布，描述的是激光的空間（Spatial）特性，在lp坐標(biāo)下的模式分布如圖1所示。上面提高的“單模激光器”代表輸出激光的空間模式是基模，即圖中的0-0 模式；而“多模”指的激光分布除了基模外，還有其他的高階模“High order mode， HOM”。橫模的產(chǎn)生和分布是由激光器腔的光學(xué)特性決定。在光纖激光器中，激光在光纖中傳輸?shù)牟▽?dǎo)特性決定了輸出激光的橫模分布，通常使用“V”值來衡量光纖是否支持多模，“M”（M≈V2/2）值表示光纖中支持的橫模數(shù)量。

圖1. 在拉蓋爾-高斯坐標(biāo)中的激光橫模分布。（圖片來源：Wikipedia）

我們知道，每個(gè)激光器都由諧振腔、泵浦和增益介質(zhì)三要素構(gòu)成，增益介質(zhì)接受泵浦（光或電）產(chǎn)生的ASE熒光在諧振腔中共振引起受激輻射放大產(chǎn)生激光。由于諧振腔是一個(gè)駐波腔，因此只有ASE熒光中滿足諧振腔駐波條件的波長成分才能產(chǎn)生相長共振而放大。這里我們把滿足諧振腔共振條件的波長叫做縱模（Longitude mode），縱模表示激光的頻域（Spectral）性質(zhì)。同時(shí)考慮到增益介質(zhì)的光譜性質(zhì)，只有在（凈）增益譜中的縱模成分才能在激光器中起振并且被放大。如圖2中所示，圖2（a）表示激光的增益譜，具有一定的增益帶寬，例如一般一般摻鐿光纖（Ytterbium doped fiber, YDF）的增益譜寬度可達(dá)50 nm；圖2（b）表示的是一個(gè)長度為L，折射率為n的諧振腔中，其縱模頻率間隔Δv=C/2nL，對一個(gè)5 m長的1064 nm線性光纖激光器諧振腔，縱模間隔Δv=C/2nL=107 Hz，對應(yīng)于波長間隔Δλ=3.77*10-5 nm；這樣可算出YDF的增益譜中可支持多達(dá)106個(gè)縱模成分，如圖2(c)中激光輸出包絡(luò)中所包含的縱模成分。

圖2. 激光器中的縱模和增益特性。（圖片來源：Wikipedia）

需要注意的是，我們在上面討論縱模間隔時(shí)，只考慮了激光器的線性特性即恒定腔長和頻率，而在實(shí)際中尤其是超快激光器中，由于腔內(nèi)較高的峰值功率，有時(shí)需要考慮非線性折射率n2帶來的腔長的非線性部分變化和mode pulling效應(yīng)。

除了橫模和縱模之外，在普通光纖中，由于光纖材料中雙折射的存在，激光在傳輸時(shí)有兩個(gè)正交的電場偏振方向，激光的偏振分量稱之為偏振模（Polarization mode）。在傳輸過程中，兩個(gè)正交的偏振模會(huì)通過交叉相位調(diào)制（Cross phase modulation，XPM）和四波混頻（Four wave mixing，F(xiàn)WM）效應(yīng)互相耦合（Polarization coupling），產(chǎn)生比如矢量孤子（Vector soliton）、偏振域（Polarization domain wall）和明暗孤子（Dark-bright vector soliton）等非常有意思的非線性現(xiàn)象。而在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是通信領(lǐng)域，即使兩個(gè)偏振方向的折射率區(qū)別非常小（一般由拍長Beat length來描述，拍長越長，雙折射越小），在長距離光纖傳輸中，由于偏振模色散（Polarization mode dispersion，PMD）效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)偏振方向的光信號(hào)發(fā)生走離，從而上導(dǎo)致信號(hào)劣化，因此在實(shí)際中通常采用PMD補(bǔ)償或全保偏方式來解決這個(gè)問題。

1.2 鎖模脈沖的特性

在正常工作的激光器中，起振的各縱模的相位是雜亂無章的，因此在時(shí)域（Temporal domain）上表現(xiàn)出的是一個(gè)連續(xù)光；若縱模的相位（差）保持恒定時(shí)，激光在時(shí)域上的表象就是一個(gè)脈沖，若保持恒定的縱模個(gè)數(shù)越多，產(chǎn)生的脈沖就越窄，這個(gè)過程我們稱之為鎖模（Mode locking），或者相位鎖定（Phase locking）。縱模相位鎖定產(chǎn)生脈沖的具體數(shù)學(xué)原理和推導(dǎo)過程在介紹激光原理的參考書上都有介紹，因此這里略去不提，有興趣的讀者可以自行查閱。我們只需要的定性地從下面三點(diǎn)理解鎖模即可：

1. 鎖模是使得激光器中振蕩的各縱模相位保持恒定；

2. 縱模相位鎖定后，激光在時(shí)域上表象是一個(gè)光脈沖：

3. 相位鎖定的縱模越多，光脈沖越窄。

鎖定的縱模越多，在光譜上表現(xiàn)為光譜寬度越寬。這里就要引入一個(gè)“轉(zhuǎn)換極限（Transform limited）”的概念，即對應(yīng)于特定寬度的鎖模光譜，有一個(gè)最窄的鎖模脈沖寬度，對于雙曲正割型（sech2-shape）脈沖，對應(yīng)關(guān)系為Δv*Δt≥0.315，對于高斯型（Gaussian-shape）脈沖則為Δv*Δt≥0.44，Δv和Δt分別代指的是鎖模脈沖的光譜寬度和脈沖寬度，其Δv*Δt數(shù)值稱為時(shí)間-帶寬因子（Time-Bandwidth Product，TBP），通常用來衡量鎖模脈沖的啁啾（Chirp）程度。脈沖寬度符合其光譜轉(zhuǎn)換極限的脈沖被稱為轉(zhuǎn)換極限脈沖，即該光譜狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)的最窄脈寬的脈沖。

這里我們可以從物理上區(qū)別鎖模脈沖與調(diào)Q脈沖或者M(jìn)OPA激光器中的電調(diào)制激光二極管中產(chǎn)生的脈沖（后簡稱MOPA脈沖）之間的區(qū)別。調(diào)Q脈沖和MOPA脈沖本質(zhì)上是被調(diào)制的連續(xù)光（Modulated CW），其縱模相位是雜亂無章的。而鎖模脈沖的縱模相位是鎖定的，因此可以通過傅里葉變換（Fourier tTransformation）從脈沖的頻域特性得到脈沖的時(shí)域特性，這樣的脈沖波形和光譜被稱為是相關(guān)的（Coherent）。時(shí)域-頻域的相關(guān)性就是鎖模脈沖和調(diào)Q/MOPA脈沖最本質(zhì)上的區(qū)別。這樣也可以理解通過MOPA脈沖和鎖模脈沖產(chǎn)生的超連續(xù)譜（Super Continuum Spectrum ）的區(qū)別，由鎖模脈沖產(chǎn)生的超連續(xù)譜的相干性要比MOPA脈沖產(chǎn)生的超連續(xù)譜更好。

1.3 鎖模原理和方法

鎖模方法一般分為主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模。除了主動(dòng)相位調(diào)制之外，一般都是通過損耗調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)鎖模，其中最常用的是通過飽和吸收（Saturated Absorption）效應(yīng)產(chǎn)生鎖模。飽和吸收效應(yīng)，即光強(qiáng)越強(qiáng)，工作物質(zhì)的吸收越弱，當(dāng)光強(qiáng)足夠強(qiáng)時(shí)，飽和吸收體（Saturable Absober, SA）被“漂白”，對光不再吸收。飽和吸收體的吸收特性和工作原理如圖3所示。飽和吸收的弛豫時(shí)間越短，能支持的鎖模脈沖寬度也就越窄。在光纖激光器中，通過飽和吸收效應(yīng)鎖模的方式主要有非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模（Nonlinear Polarization Rotation，NPR），半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(Semiconductor Saturable Abosrption Mirror, SESAM)鎖模和非線性環(huán)行鏡（Nonlinear Loop Mirror，NOLM）鎖模。在光纖激光器中，鎖模脈沖的形成除了受飽和吸收效應(yīng)影響外，光纖諧振腔的色散、非線性、增益/損耗和增益帶寬對鎖模脈沖的演化動(dòng)力學(xué)過程有著重要的影響，直接決定鎖模的光譜寬度、脈沖寬度和脈沖穩(wěn)定性。

圖3. 飽和吸收效應(yīng)圖示。（左：飽和吸收體的吸收特性；右：飽和吸收體對脈沖的強(qiáng)度調(diào)制） （圖片來源：Prof. Frank Wise’s Website@Cornell University）

目前工業(yè)級光纖鎖模種子源基本都是SESAM鎖模加線性腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4所示，其中可以通過選擇不同的輸出啁啾光柵和SESAM參數(shù)，實(shí)現(xiàn)皮秒或者飛秒鎖模。在光纖飛秒鎖模種子源激光器中，飛秒激光的脈沖形成動(dòng)力學(xué)過程與光纖諧振腔參數(shù)直接相關(guān)，因此增益輸出啁啾光柵的帶寬和色散對輸出脈沖特性影響非常大，圖5所示的是華日激光提供的Erai-S型飛秒光纖鎖模種子源的輸出光譜。鎖模光譜寬度超過15nm，光譜包絡(luò)頂部非常平滑，說明鎖模脈沖中幾乎都是線性啁啾，因此非常適合進(jìn)行飛秒脈沖放大，獲得高質(zhì)量的壓縮脈沖結(jié)果。

圖4. 典型的光纖鎖模種子源設(shè)計(jì) （圖片來源：Teraxion官網(wǎng)）

圖5.華日激光的Erai-S飛秒種子源典型輸出光譜

2、啁啾脈沖放大

2.1 什么是啁啾脈沖放大？

Mourou和Strickland獲得諾貝爾獎(jiǎng)是因?yàn)樗麄兲岢龅倪泵}沖放大技術(shù)，首先我們需要知道什么是啁啾脈沖。上一節(jié)的內(nèi)容中介紹到鎖模脈沖的光譜是由很多個(gè)相位鎖定的縱模組成。而我們知道，不同波長的光在介質(zhì)中傳播會(huì)受到色散效應(yīng)（Chromatic Dispersion）的影響，即不同波長在介質(zhì)中的折射率（Reflective Index)不同，因此傳播的速度也就有差異。對于一個(gè)鎖模脈沖而言，色散效應(yīng)導(dǎo)致脈沖中不同縱模在介質(zhì)中的折射率不同，產(chǎn)生群速度色散（Group Velocity Dispersion，GVD），在時(shí)域上的表現(xiàn)為脈沖中不同成分的光在介質(zhì)中傳播速度不一樣，因此脈沖就會(huì)被展寬。從本質(zhì)上講，色散實(shí)際上是一個(gè)頻率相關(guān)的時(shí)間延時(shí)，因此這種因?yàn)樯⒍l(fā)生展寬的脈沖被稱為啁啾脈沖（Chirped Pulse）。這里需要指出的是，不僅僅是色散，非線性效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生啁啾，例如在光纖中的自相位調(diào)制（Self Phase Modulation，SPM），但由SPM產(chǎn)生的啁啾不僅與頻率相關(guān)，還與光強(qiáng)的二次方相關(guān)，因此是一個(gè)非線性啁啾。對于脈沖中的非線性啁啾，實(shí)驗(yàn)中往往難以補(bǔ)償，而色散產(chǎn)生的線性啁啾，可以通過引入相反色散量進(jìn)行補(bǔ)償。

在最初做超短脈沖放大的研究中，光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)損傷閾值和非線性效應(yīng)如自聚焦往往限制了放大系統(tǒng)可達(dá)到的最大峰值功率，從而限制了單脈沖能量，此時(shí)如果用來放大的脈沖寬度越寬，在峰值功率一定的前提下能獲得的單脈沖能量就越大。因此Mourou等人提出，可以先對超短脈沖在色散介質(zhì)引入線性啁啾，對脈沖進(jìn)行展寬，然后再進(jìn)行放大，最后在引入相反色散量，將展寬放大的脈沖進(jìn)行時(shí)域壓縮，即可突破光學(xué)系統(tǒng)的峰值閾值，獲得更高峰值功率的脈沖輸出，圖6是Mourou和Strickland介紹他們CPA工作的第一篇文章中的CPA放大示意圖（“Compression of amplified chirped optical pulses”, Optical Communication, Volume 56, Issue 3, 1985, Page 219-221）。

圖6. Mourou文章中的CPA放大和壓縮結(jié)構(gòu)示意圖

下面通過這邊文章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，解釋超短脈沖CPA放大的過程。實(shí)驗(yàn)中采用的種子激光器是一臺(tái)早期的Nd：YAG鎖模激光器，輸出脈沖脈寬150ps，重復(fù)頻率82MHz。他們將鎖模脈沖導(dǎo)入一根長為1.4km的單模光纖中，將脈沖展寬至300ps，光譜寬度50 A，即5nm，功率2.3W。展寬后的脈沖后進(jìn)入一個(gè)再生放大腔放大至單脈沖能量2mJ，然后通過一對光柵組成的Treacy壓縮器（Treacy Compressor） 將展寬后的脈沖壓縮至1.5ps。在實(shí)驗(yàn)中，壓縮器的壓縮效率為50%，即壓縮后單脈沖能量1mJ，峰值功率達(dá)667 MW。雖然在30多年后看這篇文章，文中的CPA設(shè)計(jì)在很多地方是有問題的，例如進(jìn)入展寬光纖的種子光功率太強(qiáng)，自相位調(diào)制的積累導(dǎo)致光譜展寬，而且過長的展寬光纖也會(huì)造成偏振模色散和穩(wěn)定性方面的問題，但是其方法開創(chuàng)了一種全新的突破光學(xué)系統(tǒng)峰值功率上限的技術(shù)，將超快激光器的功率提升到了新的臺(tái)階。

2.2 展寬和壓縮介質(zhì)

在做啁啾脈沖放大之前，首先需要對種子鎖模脈沖進(jìn)行展寬。一般是通過色散對引入線性啁啾進(jìn)行展寬，需要引入很大色散量，在光纖技術(shù)突破之前，做科學(xué)研究時(shí)通常使用光柵對對脈沖引入色散，如圖7中所示。由于不同波長成分的光對于光柵的衍射角不同，這樣可以對不同波長成分引入光程差，起到引入色散的效果。

圖7. 光柵對引入色散 （圖片來源：Ibsen官網(wǎng)）

使用光柵對進(jìn)行脈沖展寬，需要引入空間光路，因此在實(shí)際操作中比較復(fù)雜，不利于在工業(yè)級超快激光器中使用。而隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，尤其是光纖損耗的降低，目前常用光纖引入較大色散進(jìn)行脈沖展寬。下面定量的解釋如果使用光纖進(jìn)行脈沖展寬：假設(shè)種子脈沖的中心波長1035nm，光譜寬度5 nm，脈沖寬度225 fs的轉(zhuǎn)換極限脈沖，引入100m長的HI1060光纖中。HI1060光纖在1035nm附件的色散參數(shù)（Dispersion Parameter）為D= - 40ps/nm/km，負(fù)號(hào)表示為正常色散（Normal Dispersion）。此時(shí)鎖模脈沖通過光纖后的展寬量為|-40|ps/nm/km*5nm*100m=20ps，即脈沖展寬到20 ps+225 fs=20.225ps。我們可以看到，如果需要將脈沖展寬的更寬，需要脈沖有更寬的光譜和使用更長的展寬光纖。雖然使用光纖展寬相較光柵對結(jié)構(gòu)更簡單損耗更小，但是過長的光纖會(huì)引入大量的三階色散（Third Order Dispersion，TOD），會(huì)導(dǎo)致在做脈沖壓縮特性劣化，表現(xiàn)為在脈沖前沿會(huì)產(chǎn)生非對稱的拖尾。同時(shí)太長的光纖光程還會(huì)帶來不必要的自相位調(diào)制積累，也會(huì)造成脈沖壓縮的劣化，表現(xiàn)為脈沖前后沿產(chǎn)生無法壓縮的對稱背底（Pedestal）。若使用普通光纖展寬的話，展寬光程太長會(huì)導(dǎo)致偏振模色散，兩個(gè)偏振模會(huì)發(fā)生走離，影響脈沖壓縮質(zhì)量。

目前隨著光柵技術(shù)的發(fā)展，某些廠家推出了脈沖展寬光柵，通過一段啁啾率特殊設(shè)計(jì)過的啁啾光纖光柵（Chirped fiber Bragg grating，CFBG）引入大量色散使得脈沖展寬，三階色散量也可通過光柵的特殊設(shè)計(jì)調(diào)整，這樣可以避免使用過長的光纖展寬引入的TOD和SPM積累問題。同時(shí)，通過對光纖光柵進(jìn)行分段控溫，可對展寬量和TOD作小范圍調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)壓縮脈沖寬度的脈沖質(zhì)量可調(diào)。但是CFBG的帶寬往往有限，色散參數(shù)較大的往往帶寬較小，帶寬較大的色散參數(shù)范圍往往有限，因此在使用中需要結(jié)合鎖模種子脈沖的光譜寬度和最終壓縮目標(biāo)量，以及整個(gè)光纖光程，選擇合適參數(shù)的脈沖展寬光柵。

在對展寬的啁啾脈沖進(jìn)行放大后，需要引入和展寬時(shí)相反的色散量，對脈沖進(jìn)行壓縮。目前普遍采用的是上面所述的光柵對組成Treacy壓縮器對脈沖進(jìn)行壓縮，如圖8所示。圖9是華日激光超快Erai-35飛秒光纖激光器的壓縮后脈沖自相關(guān)測量曲線。Erai-35飛秒激光器輸出平均功率35W，單脈沖能量200uJ，如圖中實(shí)測脈沖寬度小于300 fs。我們可以看到脈沖底部有輕微未壓縮的背底成分，這是由于脈沖放大過程中產(chǎn)生無法補(bǔ)償?shù)姆蔷€性積累，在高單脈沖能量飛秒光纖激光器中是普遍現(xiàn)象，但若脈沖背底成分過多，會(huì)使得實(shí)際單脈沖能量和峰值功率與理論計(jì)算值有較大偏差，加工中達(dá)不到理想的加工效果。為了減少背底成分對脈沖質(zhì)量的影響，需要更高質(zhì)量的鎖模種子脈沖、優(yōu)化的放大光路和壓縮器設(shè)計(jì)。

圖8. 使用透射光柵對壓縮器對展寬脈沖進(jìn)行壓縮（圖片來源：Ibsen官網(wǎng)）

圖9:華日激光超快Erai-35 飛秒光纖激光器典型輸出脈沖自相關(guān)測量曲線

使用光柵對結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈沖壓縮，也同樣存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜和空間穩(wěn)定性等問題。目前一些廠商提出了另外使用啁啾體光柵（Chirped Volume Bragg Grating，CVBG）進(jìn)行脈沖壓縮的方案，可以實(shí)現(xiàn)非常緊湊的壓縮器設(shè)計(jì)。啁啾體光柵使用特殊的光敏材料制作，與啁啾光纖光柵類似，也是通過光敏產(chǎn)生周期性折射率變化的形式，引入大量色散量，如圖10中所示。由于CVGB是體光柵且通光面積更大，因此它可以承受很高功率(>100W)，且效率較高，而且其緊湊的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)類似于普通光纖脈沖激光器的激光頭結(jié)構(gòu)輸出。

圖10. 啁啾體光柵工作示意圖 （圖片來源：Optigrate官網(wǎng)）

另一方面，在激光脈沖峰值功率較低時(shí)，還可以使用與展寬介質(zhì)色散相反的色散補(bǔ)償光纖（Dispersion Compensation Fiber，DCF）進(jìn)色散補(bǔ)償，這種方法在1.5 um摻鉺超快光纖激光器中比較常見。而制作光纖的石英材料在1 um波段很難通過基于普通光纖設(shè)計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)反常色散（Anomalous dispersion），因此目前1 um波段的色散補(bǔ)償光纖一般是通過特殊設(shè)計(jì)的光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)，典型的如NKT Photonics的HC1060 Hollow Core型光子晶體光纖（Dispersion@1060nm = 120 ps/nm/km），如圖11所示。使用色散補(bǔ)償光纖壓縮，可實(shí)現(xiàn)更加緊湊的CPA放大設(shè)計(jì)，在低功率飛秒光纖激光器和飛秒光纖振蕩器中在尤為適用。

圖11. NKT Photonics公司的HC1060光纖橫截面。（圖片來源：NTK Photonics官網(wǎng)）

2.3 脈沖放大

在飛秒光纖激光器中，其放大介質(zhì)是光纖，相比于固體放大，光纖放大的峰值功率限制和SPM積累效應(yīng)更加明顯，即使是采用CPA放大的形式，在普通光纖中可放大到的最高功率依然有限，因此需要使用CPA放大結(jié)合新的放大介質(zhì)例如特殊光纖和放大方法。

目前廣泛使用的以特殊光纖為放大介質(zhì)的主要包括光子晶體光纖和拉錐光纖，其目的都是特殊的光纖設(shè)計(jì)，保持基模的放大和傳輸，并實(shí)現(xiàn)較大的模場面積，從而能降低功率密度，實(shí)現(xiàn)更高功率輸出。光子晶體光纖主要使用的是NKT Photonics生產(chǎn)的40/200 光子晶體光纖和65/85um纖芯直徑的棒狀光子晶體光纖(PCF ROD)兩種。其中40/200光纖放大的峰值功率可達(dá)150~200 KW, 一般用于最大單脈沖能量50uJ左右的的超快光纖激光器中，例如法國Amplitude公司的Satsuma系列、相干公司的Monaco系列和通快的TruMicro2020系列；而更大模場面積的棒狀光子晶體光纖中可支持 >500 KW的峰值功率，最高可支持壓縮后單脈沖能量200 uJ輸出，例如Amplitude的Tangerine系列。使用光子晶體光纖的問題在于首先成本較高，而且目前只有NKT Photonics單家供應(yīng)商，因此有很高的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，其次使用光子晶體光纖，尤其是棒狀光纖都無法做成真正的全光纖結(jié)構(gòu)，仍有存在大量的空間光學(xué)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整機(jī)穩(wěn)定性問題。除光子晶體外，IPG等一些激光器廠商使用拉錐光纖作為主放大介質(zhì)。拉錐光纖通過一定的錐形曲線，從小纖芯通過若干長度后過度到大纖芯，這樣在放大過程中可以一直保持基模的持續(xù)放大，在保證光束質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高放大功率。

同時(shí)，通過結(jié)合一些新的激光技術(shù)與CPA技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)更高功率的放大。例如法國的Amplitude公司在《Optics Letters》上發(fā)表的《Femtosecond fiber chirped- and divided-pulse amplification system》文章（Optics Letters，Vol.40，Issue 1，Page89-92），將CPA、分布式放大和偏振相干合成結(jié)合使用，使用PCF ROD實(shí)現(xiàn)脈寬320 fs、單脈沖能量430 uJ輸出，其放大光路設(shè)計(jì)如圖12中所示。

圖12. 偏振分束分布式CPA放大 （圖片來源：OSA）

總結(jié)

距1985年Mourou和Strickland在《Optics Communication》上發(fā)表第一篇CPA放大的文章至今他們因CPA技術(shù)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)已經(jīng)過去了33年。期間超快激光器尤其是超快光纖激光器無論是在理論上和工業(yè)技術(shù)上都取得了長足的發(fā)展。

鎖模種子源從最初的固體鎖模激光器發(fā)展到了如今廣泛使用的光纖鎖模激光器，在鎖模機(jī)理和超短脈沖形成和演化機(jī)理方面的研究，從孤子鎖模（Soliton mode locking）、展寬脈沖鎖模（Stretch pulse mode locking）、自相似鎖模（Self-Similar pulse mode locking）到全正色散耗散孤子鎖模（Dissipative soliton mode locking），脈沖在鎖模激光器中的形成機(jī)理已經(jīng)獲得了非常深入的研究；同時(shí)對于鎖模材料研究，從最初的Kerr-lens鎖模，到U. Keller發(fā)明半導(dǎo)體和飽和吸收體鎖模，到后面光纖激光器中的NPR鎖模，NOLM鎖模到新型材料如石墨烯（Graphene）、二硫化鉬（MoS2）和黑磷（Black phosphorus）鎖模，已經(jīng)建立起完備的鎖模理論、鎖模材料實(shí)驗(yàn)研究體系。在工程技術(shù)方面，商業(yè)化的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡和色散補(bǔ)償器件使得超快鎖模種子源可以大批量供應(yīng)，更成熟的制造和應(yīng)用技術(shù)也使得種子源的壽命不斷提升。

在CPA的展寬-壓縮設(shè)計(jì)中，越來越多的新器件和新材料被采用，從最初的光柵對和普通光纖展寬，發(fā)展到了啁啾光纖光柵、特殊光纖等器件，在提供更多色散量的同時(shí)，提高了系統(tǒng)光學(xué)性能和工程便利性。壓縮器也從傳統(tǒng)的光柵對Treacy壓縮器設(shè)計(jì)，發(fā)展到了使用CVBG等器件，使得系統(tǒng)更緊湊，穩(wěn)定性更強(qiáng)。在放大介質(zhì)方面的研究也在不斷推進(jìn)，越來越多的新器件被推出，國產(chǎn)光子晶體光纖的發(fā)展也越來越快。在追求更高功率方面，國內(nèi)對碟片激光器的研究也越來越關(guān)注。

從這三十年的發(fā)展可以看出，CPA技術(shù)拋磚引玉，打破了阻礙高功率超快激光器發(fā)展最主要的限制，讓更多的技術(shù)可以“破門而入”，與CPA技術(shù)相結(jié)合，將超快激光器的研發(fā)推上一個(gè)又一個(gè)高點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

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2. D. Strickland and G. Mourou, "Compression of amplified chirped optical pulses," Opt. Commun. 56(3), 219–221 (1985).

3. Y. Zaouter, F. Guichard, L. Daniault, M. Hanna, F. Morin, C. H?nninger, E. Mottay, F. Druon, and P. Georges, "Femtosecond fiber chirped- and divided-pulse amplification system," 38(2), 106–108 (2013).