行业观察｜一文详解关于飞秒光纤激光器发展现状

随着科技的进步，飞秒激光在工业加工领域，科学研究，生物医学等领域应用越来越广泛。而与传统的固体激光器相比，光纤作为增益介质，有散热性能好，环境稳定性高，光束质量好，输出灵活等优势。光纤器件的集成化程度高也有利于工业大规模应用，因此光纤飞秒激光器也得到了越来越广泛的关注。

锁模振荡腔通常可以得到pJ-nJ级别能量的飞秒脉冲，如果直接对脉冲进行放大，高峰值功率引入的强烈的非线性效应会导致脉冲畸变，甚至可能对光纤造成损伤。为此为了获得高能量高质量的飞秒脉冲，人们提出了多种光纤飞秒放大技术，诸如啁啾脉冲放大（CPA）技术，非线性放大技术等等。

啁啾脉冲放大（CPA）技术

CPA技术最早由法国物理学家Mourou和加拿大物理学家Strickland共同发明，也让他们荣获了2018年的诺贝尔物理学奖。

它的基本原理是：先在时域上展宽飞秒脉冲通常到皮秒甚至纳秒量级，来降低脉冲的峰值功率；然后再对展宽后的脉冲进行放大，这样在放大到同样峰值功率时，由于脉宽的展宽，能得到的单脉冲能量就更大，最后时域压缩脉冲，就可以获得更高峰值功率的脉冲。

但是脉冲在微米量级的光纤纤芯中传输，不可避免的会受到非线性效应的影响。非线性效应主要包括自相位调制（SPM），自陡峭，受激拉曼散射以及自聚焦等。

光纤的非线性系数可以描述为

ω₀为中心角频率，Aeff为有效模场面积，n2为光纤的非线性折射率系数，c为光速。

在脉冲放大过程SPM最先出现，对于大部分脉冲来说，SPM效应会带来无法补偿的非线性相移，最终导致去啁啾后脉冲出现基底。为了定量的描述整个系统引入的非线性系数，引入了参量B积分，定义为

公式中，L为传输距离，I为光强。

B积分描述了脉冲在整个系统中的SPM效应积累的非线性相移量。当B积分小于π时，一般认为非线性相移可以忽略，大于π时，非线性效应导致的脉冲质量的降低一般不能忽略。

为了减小放大系统里非线性相移，一种途径是把脉冲展的更宽降低峰值功率，一种是增加光纤的模场面积。

展宽压缩

传统的CPA技术使用光栅对-光栅对，光纤-光栅对，作为展宽器和压缩器。近些年展宽器出现了啁啾光纤光栅，啁啾体布拉格光栅，压缩器出现了啁啾体布拉格光栅和空心光子带隙光纤等。

各类展宽器和压缩器都有自己的优点和缺点。光栅对作为展宽器会引入空间结构，不利于全光纤集成，并且体积大。光纤和光栅对的三阶色散无法匹配。

空芯光子带隙光纤，可以利用其波导色散代替传统的压缩器实现真正的全光纤结构，但是光纤长度很难精确控制，和普通光纤的熔接也是一个问题。目前啁啾体布拉格光栅最多只能展宽/压缩500ps的脉冲宽度。

目前最常用的结构是啁啾光纤光栅作为展宽器，啁啾体布拉格光栅或者光栅对作为压缩器。但是正如上段所述目前啁啾体布拉格光栅最多只能展宽/压缩500ps的脉冲宽度，光栅对的尺寸和整体压缩光路的尺寸会随色散量的增加越来越庞大。这些都限制了脉冲展宽量。

展宽和压缩的色散补偿要精确，飞秒种子脉冲在展宽和放大后如果压缩时色散补偿不好，会导致脉冲变宽。啁啾光纤光栅可以通过温度调谐和应力的方式精细管理色散，多用于飞秒激光器中，如Teraxion已经有成熟的商业产品。

而基于多光子脉冲内干涉相位扫描 (MIIPS)，再通过液晶调制器进行相位调制的技术，以及声光可编程色散滤波器（AOPDF, Acousto-opto Programmable Dispersive Filter，或者更常见的名称Dazzler）等，也可以对脉冲进行精细的色散管理。

特种光纤

为了增大光纤的模场面积，同时保证光束质量，人们提出了一些新型的特种光纤。

a)光子晶体光纤

图表1 光子晶体光纤结构示意图

光子晶体光纤的包层由周期性排列的空气孔组成，可以实现大模场面积，并且能保持基模状态，光束质量好，但是价格昂贵，而且光子晶体光纤的切割，与常规光纤的熔接，以及与端帽的熔接都是比较困难的工艺问题，棒状光纤还会包含比较多的空间结构。

b)CCC光纤（手性光纤）

CCC光纤除了中心沿轴向分布的大模场纤芯外，还有一条围绕着主芯呈螺旋分布的侧芯，基模在主芯中传播不受影响，但高阶模式由于谐振耦合到侧芯中，损耗较大无法传播。

图表2 手性光纤结构示意图

c)锥形光纤：前端为小芯径光纤，通过拉锥等手段，慢慢过渡到大芯径的光纤。放大过程中能一直保持近似单模放大，在保证光束质量的同时提高脉冲能量。

图表3 锥形光纤示意图

非线性放大技术

CPA 技术减小了脉冲在光纤中积累的非线性相移, 新型的光纤也提高了光纤飞秒放大器的功率，并且保持了较好的光束质量。新型的脉冲展宽和压缩器也解决了色散失配的问题。

但是在光纤CPA系统里，即使展宽系数很大，放大过程中的非线性相移也很难忽略，脉冲很难避免有基底，再加上受限于增益窄化效应，脉冲宽度也很难做到100fs以下。随着对非线性效应研究的深入，研究人员发现非线性效应并非百害而无一利，并且提出了几种非线性放大技术可以获得更高质量更窄脉宽的飞秒脉冲。

利用非线性的CPA技术

2002年Galvanauskas通过计算发现CPA过程中引入适量SPM，能够补偿光纤展宽器和光栅压缩器的三阶色散失配量。

SPM引入的TOD近似为：

Ф_SPM为SPM的峰值，ω为频率，S(ω)为归一化光谱强度，此时脉冲具有三次方的非线性相位延迟，所以这种脉冲被称为立方子(cubicon)。

美国IMRA公司的L. Shah等人使用光纤展宽器和光栅对压缩器，利用三阶色散弥补非线性相移的方法，得到了50μJ能量的550fs宽度脉冲，脉冲基底比较干净，系统中B积分达到了6π。但是这种方法对色散匹配要求严格，并且只在某个最佳输出功率下，B积分才能刚好匹配三阶色散的失配量。

图表4 L.Shah等人实验光路图

抛物线脉冲放大

自相位调制积累的非线性相位是与脉冲形状相同的函数，如果把脉冲整形成抛物线型状，那么SPM积累的非线性相位引入的啁啾也变成了线性啁啾，可以通过光栅对体光栅等传统压缩器进行压缩。

2000年, Fermann等利用改进的非线性薛定谔方程计算发现, 在增益光纤中存在“放大自相似子”，任意形状的脉冲只要满足一定单脉冲能量, 都能够经过增益正色散光纤放大得到抛物线脉冲。2007年,Finot等证明利用正色散无源光纤, 也能够将脉冲整形成抛物线型。但是脉冲能量受限于三阶色散，增益窄化和受激拉曼散射。

预啁啾管理非线性放大

脉冲在光纤中的演化过程由自相位调制、色散及增益共同决定。如果在种子光被放大前，预先引入一定量的负啁啾, 那么脉冲在放大过程中，自相位调制和色散共同作用，光谱会被更大程度地展宽，这种放大技术称作预啁啾管理。非线性放大技术(PreＧChirp Managed Amplification, PCMA) 。可以通过计算最优的预啁啾量, 获得最佳质量的压缩脉冲。

2021年中科院物理所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理实验室科研人员，与西安电子科技大学合作，利用预啁啾管理技术，在棒状光子晶体光纤中实现了100W、55fs、2.3uJ的飞秒脉冲。

图表5 预啁啾管理实验光路图

增益管理非线性放大

当脉冲经历非线性光谱展宽时，吸收和放大会主动重塑脉冲和增益谱本身。基于此，人们提出了增益管理非线性放大（Gain-Managed Nonlinear Amplifier）技术。

在Gain-Managed Nonlinear Amplifier放大系统中，非线性造成的光谱变宽被强大的、纵向演化的增益整形所平衡。与增益被认为是静态的传统的超快放大器相比，在GMN系统中，增益光谱的演变起着重要的作用。通常情况下，增益管理非线性放大器需要正色散和光谱增益曲线纵向演变的共同作用。在Pavel Sidorenko和Frank Wise 2020年的一篇文章中，他们利用增益管理放大技术获得了1μJ，小于40fs的脉冲。

目前光纤飞秒激光器有越来越多的新发展，但是如文中所述，没有一种光纤飞秒激光放大技术即可以满足所有的参数要求, 同时又具有简单的结构和较低的成本。对不同的应用，需要做针对性的技术开发。

参考文献
1.Brown, A. J. W., et al. (2006). Ultrafast high energy amplifiers beyond the B-integral limit. Fiber Lasers III: Technology, Systems, and Applications.
2.Fermann, M. E., et al. (2000). "Self-similar propagation and amplification of parabolic pulses in optical fibers." Phys Rev Lett 84(26 Pt 1): 6010-6013.
3.Finot, C., et al. (2007). "Parabolic pulse generation through passive nonlinear pulse reshaping in a normally dispersive two segment fiber device." Opt Express 15(3): 852-864.
4.Zhang, Y., et al. (2021). "Double-pass pre-chirp managed amplification with high gain and high average power." Opt Lett 46(13): 3115-3118.
5.Sidorenko, P. and F. Wise (2020). "Generation of 1J and 40fs pulses from a large mode area gain-managed nonlinear amplifier." Optics Letters 45(14): 4084-4087.

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