摘要无论是在固体还是在光纤放大器中，飞秒的脉冲能量都受到热效应和非线性效应的制约。即使是啁啾脉冲放大（CPA），也难以超越高峰值功率和平均功率的限制。脉冲空间和时间分割放大－合成，有可能打破僵局，产生高重复频率和高脉冲能量；而将高功率光纤放大器中的脉冲进行相干堆积，有可能超越啁啾脉冲放大，得到高于其若  干数量级的脉冲能量，同时保持高重复频率。

关键词激光光学；相干脉冲堆积；相干光束合并，高功率脉冲

中图分类号:0436

文献标识码  Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＬＯＰ５４．１２０００１

（华快首席科学家：张志刚教授）

一：引言

       2 0世纪6 0年代中期，调Ｑ和锁模技术的相继发明，使激光脉冲的功率有了较快的发展，但很快就到了一个平台期。一直到2 0世纪8 0年代末期，啁啾脉冲放大技术的出现，使激光脉冲功率结束了二十余年的平台期，再次经历了飞速发展。在脉宽不能继续缩短的情况下，提供脉冲能量成为了一个关键。但是现在，脉冲能量似乎又停滞在一个平台上，迫切需要新技术，来触发一场新的激光革命。

第一代飞秒激光器是以染料激光器为代表的低脉冲能量、低平均功率飞秒激光器；第二代是以钛宝石激 光器为代表的高脉冲能量、低平均功率的时代；第三代则是高重复频率、高脉冲能量阶段。第三代飞秒激光器以新一代激光粒子加速器、太空碎片清除、高通量阿秒脉冲产生、核聚变激光点火等应用为牵引动力，主要特征是：焦耳量级脉冲能量、数十千赫兹重复频率、千瓦以上平均功率。特别是在射频加速器的梯 度已经接近其内禀极限的情况下，高能量脉冲激光有望成为新一代小型化 ＧｅＶ 加速器的驱动源。

二：脉冲相干合成

２．１  以钛宝石为代表的固体飞秒激光器

      以钛宝石激光器为代表的固体激光器能产生非常高的峰值功率，例如美国伯克利激光加速器 ＢＥＬＬＡ 系统的钛宝石激光器产生４０Ｊ、３０ｆｓ脉冲，峰值功率大于１ＰＷ（１ＰＷ＝１０１５ Ｗ）。但重复频率低至１Ｈｚ，平均功率只有４０Ｗ。我国上海光学精密机械研究所研制的大口径激光系统产生１９２Ｊ、２７ｆｓ、大于５ＰＷ峰值功率，只是单发脉冲。世界上其他拍瓦激光器，例如美国德克萨斯１ＰＷ钕玻璃激光器（１９０Ｊ，１７０ｆｓ）和日本大阪的２ＰＷ 激光快点火实验（ＬＦＥＸ）钕玻璃激光器（２ｋＪ，１ｐｓ），也是单发。

提高重复频率受限于放大介质中的热－光效应，例如热透镜和热致双折射等。改变激光介质的形状，例如碟片激光放大器，能部分地解决问题，但目前脉冲能量和脉宽还不能与钛宝石激光器相比。最近捷克ＨｉＬＡＳＥ宣布建成平均功率１ｋＷ 的碟片超级激光器，脉冲能量高达１００Ｊ，但脉宽为１．３ｐｓ，重复频率仅为１０ Ｈｚ。所以这个碟片激光器也不能达到以上列举的前沿应用需求指标。提高脉冲能量和重复频率的努力还在持续进行中。

２．２  光纤激光空间合束

      与固体激光器平行发展的是光纤激光器。由于散热好、可集成、运用灵活，光纤激光器在平均功率、能量 转换效率和光束质量上优于固体激光器，单根光纤可以输出成百甚至上千瓦的功率。但在啁啾脉冲光纤激 光放大器中，受光纤芯径的和由此带来的非线性效应限制，即使用最大模场面积的光子晶体光纤，将其用光 栅展宽器展宽到最大脉宽，在单根光纤中获取的脉冲能量还是远远小于光纤中储存的能量，峰值功率也只有吉瓦量级，已经接近极限。其原因是非线性效应限制。从图１看出，要想从光纤激光放大器中最大限度地获取能量，除了用大模场面积光纤，脉冲宽度需要展宽到几十上百纳秒。而把一个１００ｆｓ的脉冲展宽成１０ｎｓ，脉冲展宽器中需要的光栅尺寸约为０．９ｍ，光栅距离约为２．７ｍ，这基本上是不现实的。

（图1）

      １３５μｍ和５５μｍ两种大模场面积光纤啁啾脉冲放大（ＦＣＰＡ）中脉冲能量受限。绿色图框表示目ＦＣＰＡ达到的脉冲能量，红色圈表示在 Ｂ积分受限下可能从光纤中抽取的脉冲能量。

      直观的解决方案，是空间合束，即将脉冲分成若干路光纤分别放大再合成一路。这种技术最早用于连续激光，最近几年扩展到飞秒脉冲激光。理论证明，可以将上千根光纤激光发出的光合束，以获得单根光纤达不到的峰值功率和脉冲能量。受到这种理念的鼓舞，ＣＰＡ技术的发明者 Ｍｏｕｒｏｕ教授提出，将一万根１ｍＪ、１０ｋＨｚ的光纤激光合束为１０Ｊ、１０ｋＨｚ的脉冲，作为将来的加速器光源和国际相干放大网络（ＩＣＡＮ）计划的一部分（图２）。

      这里的技术问题是如何将上万根光纤进行合束，每个光纤的相位都需要同步。实现起来虽然复杂，也不是不可能。目前实验上刚刚达到８根光纤合束为１ｋＷ，１ｍＪ。我国国防科技大学也通过光纤合束得到。３１３Ｗ的平均功率、８２７ｆｓ的脉冲。

      其实这个方案不是控制一万根光纤的相位这样的技术问题，而是概念问题。所用的单根光纤放大的脉冲能量已经达到极限，而加速器要求的重复频率又太低，只有１０ｋＨｚ。即使单根光纤能提供１ｍＪ的脉冲能量，单根光纤输出的平均功率也只有１０Ｗ，其实是浪费了光纤激光器高平均功率的能力。仔细想想，靠增加光纤的数目来提高脉冲能量，除了比固体激光器散热好一些，与仅靠扩大放大介质的面积来增加功率耐受度 有什么区别？这是不是又回到了 ＣＰＡ 之前？这个ＣＰＡ 的开创者，怎么走了回头路？

（图2：光纤相干合束概念图）

２．３  时域分割放大

      回头想想，ＣＰＡ的概念是什么？就是把脉冲在时域展宽，再放大，然后再压缩回去。可传统的展宽器，最多也只能把脉冲展宽到１ｎｓ。所以光纤也好固体也好，都承受不了高峰值功率。能不能想个别的办法展宽呢？有人说，把一个脉冲在时域上切成几个脉冲，不就相当于在时域展宽了吗？于是就有了脉冲分割放大。（图3）

（图3：时间分割— 等效于脉冲展宽）

     为解决这个矛盾，有研究者提出先利用多次偏振分光将脉冲在时域分割，经过时间延迟，将重复频率倍 增，耦合入一根光纤放大到高平均功率后，再次将脉冲分光、延时补偿，使之合成为一个脉冲（图４）。

这个技术称为分割脉冲放大（ＤＰＡ）。这个技术要经过放大前后两次偏振分光（ＰＢＳ），两套延迟控制和补偿光路，非常复杂。而且，这种利用偏振分割和合成的脉冲的数目非常有限。时间分割和空间合束结合起来也许是解决之道。

（图４：时间分割－相干合成装置示意图）

２．４  光谱分割放大

      还有一种方法叫光谱放大合成方法，即：将脉冲的光谱分割，分别放大，再合成在一起。（图５）

（图５：光谱分割－相干合成技术示意图）

      光栅将入射脉冲的光谱展开，分成几个光谱分量分别耦合到一种多芯光纤中，放大后再通过光栅合成。在分束光栅的傅里叶平面上，安装变形镜以调谐各波长分量的相对相位。在文献的实验中，将４０ｎｍ的光谱分成了１２个通道，每个接近３～３．８ｎｍ；耦合入１５芯的光纤中（有光纤芯没用到）。放大到平均功率１００ｍＷ，否则就会有非线性效应产生。这个实验只证明了光谱合成后可以产生１００ｆｓ量级的脉冲，而非高脉冲能量。

      这里致命的问题是，分割后光谱变窄为３ｎｍ，而这样窄的光谱恰恰是啁啾脉冲展宽的大敌！例如原来４０ｎｍ 的光谱可以展宽至５００ｐｓ，现在分割到１／１２，每段光谱就只能展宽成５００ｐｓ的１／１２了！每根光纤（这里是每个芯）对应的峰值功率还是一样的，仍然受非线性效应的限制。结果，虽然是分割放大，却是个零和游戏—没有一个分量的脉冲能量可以放大到超过合起来放大的脉冲能量的１／１２。

２．５  衍射光学合成

      这里还穿插着另外一种空间合成方法，叫衍射合成。设想将入射光按不同级次的角度入射到光栅上，使其集中到零级光上。要想得到多级衍射，就得用光栅密度低的；而低密度光栅的衍射效率就会低，因为 不可能只有一级衍射；为提高效率，很容易想到闪耀光栅；可要是对这么多级次都闪耀，还叫闪耀光栅吗？同 时，能合成的光束数目也非常有限。其实这只是空间合束的一个版本而已。

（图６：利用衍射器件这里是光栅的光束合成装置示意图）

从图６ 可以看出，入射４ 束，合成出７束光！零级光所占的比例能有多少呢？实验结果是７６％。原理上用一个光栅就可以。但是衍射后的光束会有脉冲阵面倾斜。为了纠正这个倾斜才用了两个光栅，虽然牺牲了一些效率。

      这４束光是从哪儿来的呢？还是偏振分割而成的，只不过合成不是用偏振而已。图７ 是整个系统的构成图。无论如何，用压电陶瓷控制光束的相对相位是不可避免的。

（图７：时间分割－衍射合成装置示意图）

２．６  相干脉冲堆积

      脉冲分割放大合成是靠偏振分割，毕竟数目有限，而且分合都需要偏振和时间延迟控制。如果把脉冲列看成已经分割好的脉冲，直接把脉冲在时域合成，就像图８那样，可以吗？

（图８ 脉冲时间堆积概念）

      人们首先想到的就是腔增强技术。腔增强时域脉冲合束不需要脉冲分割，不需要偏振控制，直接将脉冲列中大量脉冲在腔内叠加在一起，因此也称相干脉冲堆积放大（ＣＰＳＡ）技术。相干脉冲堆积腔的腔型可分为两种：高Ｑ值腔（高精细度腔）和低Ｑ值腔（低精细度腔），区别是输入耦合镜的反射率和堆积后的脉冲从腔内的导出方式。

（图９高Ｑ值腔相干脉冲ＳｎＤ技术示意图）

高Ｑ值腔的脉冲腔内增强堆积放大技术见：图９

      图中ｆｒｅｐ是入射脉冲的重复频率，ｆｓｗｉｔｃｈ是腔内开关的重复频率，ＨＲ表示高反射镜。图９中入射耦合镜的反射率Ｒ在９９％以上。将脉冲序列连续注入与脉冲时间间隔相等的谐振腔，脉冲被局限在腔内相干堆积，达到饱和后，通过高速光开关将腔内脉冲倒空（注意不是从入射端镜输出）。此技术称为堆积和腔倒空（ＳｎＤ）技术。模拟表明在高Ｑ值腔可堆积６００多个脉冲。如果导出效率能达到８０％，相当于５００倍的增强。

      耶拿大学的研究者最近实验证实了腔增强ＳｎＤ概念。增强腔由一个输入耦合镜和１５个腔镜构成，输入耦合镜的反射率是９９％。腔倒空光开关选用了声光调制器（ＡＯＭ）。输入脉冲能量３μＪ，腔倒空出的脉冲能量为１６０μＪ，能量倍增效率是６５倍（远低于理想的６００倍，受限于腔内 ＡＯＭ的非线性效应），脉宽为８００ｆｓ。ＳｎＤ有两点限制：一是为了适应腔内光开关ＡＯＭ几十纳秒的上升沿和下降沿时间，这个实验中，谐振腔相当长（３０ｍ），与之匹配的入射脉冲列的重复频率为１０ＭＨｚ；二是为了减少 ＡＯＭ的上升沿时间，在ＡＯＭ上的光斑也相当小（０．４ｍｍ），这对进一步提高脉冲能量不利。为了提高功率耐受性，他们又提出了高速机械开关。对于高Ｑ值腔增强，Ｍｏｕｒｏｕ教授认为腔倒空开关并不存在。的确，面对如此高的脉冲能量，无论是电光调制器（ＥＯＭ），还是 ＡＯＭ，都无法承受得住。Ｍｏｕｒｏｕ教授进一步指出，高速机械开关本质上还是机械开关，机械不可能有那么高的速度。

     密歇根大学的 Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ教授提出了用低Ｑ值腔将脉冲叠加在一起的概念。在低Ｑ值腔内堆积放大技术中，入射耦合镜的反射率很低，在４０％左右。脉冲的耦合入腔和导出都利用干涉效应，所以又称Ｇｉｒｅｓ－Ｔｏｕｒｎｏｉｓ干涉仪（ＧＴＩ）。以４个脉冲的脉冲列为例，如图１０所示，编号３、２、１、０的脉冲相继入射到输入耦合界面，为了显示清楚，图中用斜入射两镜腔表示。３号脉冲的６０％入射到腔内，经底层反射镜和顶层反射镜反射，与２号脉冲的入射部分在腔内相干叠加堆积；而２号脉冲在界面的反射光与３号脉冲的透射光相干相消。同理，１号脉冲与腔内３号和２号脉冲相干堆积，而最后入射的０号脉冲，其能量与腔内堆积的脉冲能量相等、相位相同，形成相干反射增强，相当于一个开关，将腔内脉冲全部导出。这种技术称为 ＧＴ 相干堆积（ＧＴＩ－ＣＰＳ）。美中不足的是，最初的３号脉冲的反射光没有与之干涉相消的腔内脉冲，因此就留在了反射光脉冲列内。但因时间与输出脉冲相隔很远，与最终输出的脉冲相比，３号脉冲的反射光能量占比非常小，可以忽略，也可以通过选单技术将其消除。

（图:10：低Ｑ值 ＧＴ腔相干脉冲堆积器工作原理图）

      实际应用的 ＧＴＩ堆积器是图１１（根据参考文献改画）所示的四镜或三镜腔。需要指出的是，这种ＧＴ腔型看起来和萨尼亚克干涉仪相似，实际上是不同的：入射耦合镜的方向相差９０°，结果是，ＧＴＩ腔内只有一个方向的光循环，而萨尼亚克干涉仪腔内有两个相对方向的光循环。

（图:11：实际使用的（ａ）四镜腔和（ｂ）三镜腔 ＧＴＩ堆积器；（ｃ）萨尼亚克干涉仪）

      实际上激光器输出的是等幅度脉冲列，幅度调制意味着能量损失。好在理论和实验证明，对于等幅入射的脉冲列，只要满足以上相位条件，用ｍ 个腔相联，能将２ｍ＋１等幅脉冲合成为一个脉冲。如ｍ＝４，即４个腔，就可以把９个等振幅的入射脉冲合成为一个主脉冲；ｍ＝８，就可以把１７个等振幅的入射脉冲合成为一个主脉冲。更进一步，如果想加速这个过程，可用级联堆积，即下一级堆积器的腔长是前一级的ｍ＋１ 倍。

      Ｎ级级联就可以将（２ｍ＋１）Ｎ个相干脉冲堆积为一个。如图１２（图中堆积器未按比例画）所示，两级４＋４个腔，就可以堆积８１个脉冲。脉冲列被切割为８１个脉冲一组，脉冲组的重复频率可根据应用需求设置，例如１０ｋＨｚ。一级堆积器将８１个相干脉冲堆积为９个脉冲；二级堆积器将９个相干脉冲堆积为１个脉冲。Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ研究小组用本研究小组提供的１ＧＨｚ光纤激光器，通过一级 ＧＴＩ堆积器，将１ｎｓ间隔的９个０．１ｍＪ的脉冲合成为接近１ｍＪ能量的脉冲［３１］；他们又通过一级堆积器，将２７个相干脉冲堆积为一个脉冲。

（图12：二级相干脉冲堆积示意图）

      图１３是实验得到的脉冲堆积结果，图中红色是入射的２７个脉冲，蓝色是经过４＋１个腔将２７个脉冲堆积为一个脉冲。可以看到，入射脉冲基本上被压了下去，堆积到第２７个脉冲上。

对于这个进步，Ｍｏｕｒｏｕ教授同样有疑问：Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ研究小组得到的脉冲的对比度（２０ｄＢ）与Ｍｏｕｒｏｕ所得脉冲的对比度（１２０ｄＢ）差距较大。从图１３可见，第９个脉冲因为无脉冲与之相干相消，只好以大约２倍于入射脉冲的功率，孤零零地留在脉冲列中；主脉冲附近也有脉冲残留。如同任何一个新技术，总 会有缺点。

（图13  ４＋１个腔的腔内脉冲堆积后的脉冲列）

２．７  只有多种技术合起来才能达到最高脉冲能量，目前从０．１ｍＪ堆积出的脉冲能量是毫焦量级。        

      对于很多应用，例如飞秒加工，已经够用了。要达到焦耳量级，则需要用更多级堆积。而多级腔，每一级腔长都是前一级腔长的数倍。例如１ ＧＨｚ激光器作为种子脉冲，一级堆积腔长是３０ｃｍ，二级堆积腔长是２．７ｍ，三级堆积腔长是２４．３ｍ，四级腔的腔长就是２１８．７ｍ！之后级次的腔长更会大得惊人！多通长腔的方案因反射损耗巨大也变得不可行。

怎么办？图１４给出焦耳量级脉冲的装置构想。高重复频率光纤激光器输出的脉冲，经过展宽和振幅相位调制，在空间分成若干路放大，然后空间合束。最后是脉冲的时域堆积和脉冲压缩。注意这里不同于Ｍｏｕｒｏｕ教授的空间分割放大合束概念的是，放大器中的光脉冲的重复频率很高，而不是几十千赫兹。也不同于耶拿大学的ＳｎＤ技术，其方案是在倒空后空间合束。说到这才明白，原来相干堆积是放大的最后一级！别误会，如果不需要焦耳量级的脉冲，不分束直接放 大、堆积也是可以的。

（图１４焦耳量级飞秒脉冲激光产生设想装置）

３ 结 论

      为了飞秒脉冲能量和平均功率的进一步提高，人们不断地推出新的技术。在众多的新技术中，也许相干脉冲堆积技术与其他分束合成技术的结合，有希望将脉冲能量和平均功率提高几个数量级。

相干脉冲堆积技术刚刚推出，还有很多技术问题没解决，例如：

      １）信噪比。如图１３所示，目前实验中的信噪比不到２０ｄＢ。计算至少可达４０ｄＢ。提高信噪比，需要对脉冲的重复频率、相位和堆积腔长进行严格的控制和同步。这么多腔的同时控制和同步，是一个艰巨的 任务。

      ２）脉冲宽度。上述讨论一直没提脉冲宽度，目前堆积出来的脉冲还是在几百飞秒量级。脉冲宽度小于１００ｆｓ，甚至是单周期脉冲也可以做到，这就需要提高脉冲在更宽谱内的相干性，即脉冲光谱的频率间隔和载波包络相位的精确控制。

      激光光场的精确控制。因为是相干堆积，需要提高飞秒激光脉冲的相干性，这就需要激光器本身更加稳 定，包括载波包络相位控制、所有（上百个）脉冲堆积腔的腔长，也需要更加精确的控制。这是新的光场调控 的要求。这么多参数，这么多自由度，无法通过人为控制。于是就催生了一门新的学科：智能光子学。