基于光纤放大器的超快强激光光源浅析

导读：超快强激光由于同时具有超快的时域特性和超高的峰值功率特性，能创造前所未有的超快时间、超高强场、超高温度和超高压力等极端物理条件，因此得到了众多领域研究者们的青睐。尤其在受控核聚变、微纳加工、强场物理学、精密冷加工等领域，超快强激光更是起到了不可替代的作用。

相较于人们熟知的高能固体超快激光光源，稀土参杂的光纤波导作为增益介质如表1所示，更具有能量转换效率高、良好的散热性、较高的环境稳定性、可柔性操作、结构紧凑等优势。特别地，掺镱光纤（YDF）放大器由于具有较高的量子效率（约90%）、较宽的增益带宽（最大可达100nm）、较好的储能本领（上能级寿命约0.73ms，且能实现较高浓度参杂），因而有望超越传统固体激光放大系统，成为获得高功率飞秒毫焦激光另一个有力的途径。

为了减少上述现象的影响，基于光纤放大器的超快强激光光源在结构上，普遍采用了主振荡功率放大器（MOPA）的形式。同时，在时域上大幅展宽脉冲的宽度从而降低峰值功率，并在空间上尽量增大模场面积进而减小峰值功率密度；针对前者研究者们提出了啁啾脉冲放大（CPA）技术，而针对后者则设计了各种结构的双包层大模场直径（DC-LMA）光纤。然而值得注意，虽然光纤飞秒激光光源具有上述明显优势，但由于飞秒激光被限制在微米量级的光纤纤芯中，因此强烈的非线性效应会严重限制放大器输出脉冲的功率和能量。其中自相位调制（SPM）、光谱窄化、受激拉曼散射（SRS）、模式不稳定（MI）等现象[1]影响最为显著，甚至直接决定着光源输出脉冲形状、脉冲宽度、峰值功率、平均功率、光束质量等关键参数。

CPA系统的基本结构如图2所示，通常由超短脉冲种子源，脉冲降频器，脉冲展宽器，多级光纤放大器，脉冲压缩器等组成。CPA技术通过脉冲展宽有效减小脉冲在放大器中积累的非线性相移，使脉冲在一级或多级的增益光纤中几乎被线性地放大，最终在理想情况下脉宽可以达变换极限。因此可以看出，其关键的技术难点，往往在于如何实现高质量的脉冲展宽及压缩。

早期CPA常采用单模光纤（SMF）与负三阶色散光纤组合作为展宽器，光栅对作为压缩器的方案。其具有色散量可控，便于调试等优势，但由于占用空间尺寸较大，往往难以实现小型集成化。随后，随着光纤光栅及体光栅制造技术的成熟，尤其是啁啾光纤布拉格光栅（CFBG）和啁啾体布拉格光栅（CVBG）的商品化，这为基于光纤CPA技术的超快强激光光源带来了新的发展机遇。

CFBG简单来说，就是一种栅距周期沿光纤的轴向长度不断单调变化的光栅。在Bragg条件下，不同波长激光信号会在光栅的不同位置反射，经历不同的时间延迟。基于CFBG的脉冲展宽器结构如图3所示，其优点是便于全光纤化、集成化、小型化，但由于制作成本高，且不能承受高能量和高功率，因此其常作为脉冲展宽器件。

CVBG与CFBG的基本原理相近，同样是一种光栅周期沿光束传播方向逐渐变化的布拉格光栅。但由于采用了块状结构，同时也由于全息材料光热敏（PTR）玻璃的出现，如图4所示的大孔径CVBG得到了迅速发展并日趋成熟。由于其能够承受很高的平均功率，因此CVBG更多被用于作为脉冲压缩器件。与传统的光栅对压缩器相比，CVBG大大减小了光纤CPA系统的体积。

利用上述展宽/压缩机制，CPA放大器能够获得单脉冲能量为几微焦量级的飞秒激光。但是为了进一步提升激光光源输出脉冲能量，往往还要进一步采用如图5中所示的双包层大模场面积（DC-LMA）光纤。

DC-LMA光纤的双包层结构通过引入一个直径为百微米量级的内包层，极大提高了泵浦光耦合到增益光纤的效率。而为了实现更大的模场面积，早期的方法主要通过减小光纤的数值孔径、利用高阶模弯曲高损耗等方法，美国 Nufern公司生产的双包层掺镱光纤，纤芯直径可达30μm。但普通阶跃折射率光纤的模场面积提升能力有限，因此研究者们从光纤的结构入手，分别设计制造了光子晶体光纤（PCF）、手性耦合（CCC）光纤、及高阶模（HOM）离域光纤等特殊结构的大模场面积光纤。

首先，PCF的包层由周期性排列的空气孔构成，如图6所示。PCF一般采用双包层结构；同时通过合理控制空气孔直径与空气孔间距的比值，能够有效减小光纤的数值孔径，甚至可以实现所谓的无截止单模特性。利用这种方法人们实现了直径最大为40μm的柔性PCF，如图6(a)所示。2010年，Eidam等人[3]利用这种双包层柔性PCF作为增益介质，在两级CPA系统中，获得了平均功率为830W、重复频率为78MHz、脉宽为640fs的脉冲

但随着PCF模场面积的进一步增加，其弯曲损耗明显增加，甚至不能弯曲。因此，人们进一步提出了如图6(b)所示的棒状PCF，实现了模场直径最大100μm的单模输出。使用掺镱棒状PCF作为主放大器增益介质，2007年，F. Röser等人[4]基于CPA技术将脉冲展宽到2ns进行放大，获得了脉冲能量为1.45mJ、重复频率大于100kHz、脉宽为800fs的输出。2013年，Peng Wan等人[5]利用全光纤结构，获得了平均功率为1052W（压缩前）、重复频率为69MHz、脉宽为800fs的脉冲。

此外，人们还提出了手性耦合（CCC）光纤，其通过特殊的结构设计，增加光纤中高阶模损耗，迫使高阶模衰减甚至消失。CCC光纤几何结构和横截面分别如图7(a)(b)所示，由于光纤能保持较大的数值孔径，所以弯曲损耗小，能够紧凑盘绕。同时CCC光纤结构尺寸能够有效抑制受激拉曼散射效应，并且即使没有应力元件也能实现保偏输出。2013年，J. Želudevičius等人[6]基于此类光纤，实现了50μJ、100kHz、400fs的输出。

与CCC光纤高阶模损耗相反，如图8所示的大孔距的光子晶体光纤（LPF），利用高阶模（HOM）离域效应，使得高阶模在纤芯处发生变形离域，导致基模的增益比高阶模高，从而使基模在光纤中被优先放大。利用这种方法可以实现芯径100μm以上的单模运转。2011年，Eidam等人[7]利用模场直径为105μm的掺镱LPF作为主放大增益介质，在四级CPA放大系统中得到了能量为2.2mJ、重复频率5kHz、峰值功率为3.8GW的脉冲。

当然，除上文中所述的方案，其它常用的放大技术还包括：非线性CPA技术、预啁啾管理非线性放大技术、自相似放大技术、单晶光纤放大技术等。总结来说，虽然在高能量、高峰值功率等方面，光纤激光器较固体激光器仍有一定差距。但近些年，随着相干合成技术的不断发展与成熟（最高平均功率@10.4kW，254fs，80MHz [8]；最高脉冲能量@23mJ，235fs，25KHz [9]），相信可以进一步克服单路超快光纤激光器严重的非线性效应，使其与固体激光器的差距不断减小。而作为干合成技术的基本单元，基于CPA技术及DC-LMA光纤的单纤激光放大器，也必将成为高能量超短脉冲为未来发展的重要基石之一。