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1960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1980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。 本文旨在简要说明各种提高飞秒激光脉冲能量和平均功率的技术，试图使读者对各种新技术有个基本的了解和判断。 1 脉冲相干合成 这么多方案，很纠结 1 以钛宝石为代表的固体飞秒激光器—— 难以兼顾高能量与高重复频率 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，但是重复频率普遍很低。例如美国伯克利激光加速器BELLA系统的钛宝石激光器、我国上海光学精密机械研究所研制的大口径激光系统，就连最近捷克HiLASE宣布建成平均功率1 kW的碟片超级激光器，也难逃厄运：脉冲能量高达100 J，但脉宽为1.3 ps，重复频率仅为10 Hz。 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。提高脉冲能量和重复频率的努力仍在持续进行中。 2 光纤激光空间合束—— “扬短避长”，又倒退回CPA之前？ 与固体激光器平行发展的是光纤激光器。但在啁啾脉冲光纤激光放大器中，受光纤芯径和由此带来的非线性效应限制，峰值功率也只有GW，已经接近极限。 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。但是如何将上万根光纤的合束，每个光纤的相位且都需要同步，技术上可行吗？实现起来虽然复杂，也不是不可能。 啁啾脉冲放大（CPA）技术的发明者G. Mourou 教授目前实验上刚刚录得8根光纤合束为1 kW，1 mJ。我国国防科技大学也通过光纤合束得到313 W 的平均功率、827 fs的脉冲。 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？唉，这个CPA 的开创者，怎么走了回头路？ 图1 光纤相干合束概念图。①种子源激光器；②脉冲展宽；③分束；④多级放大；⑤合束和脉冲压缩；⑥聚焦；⑦>10 J, 10 kHz 脉冲 3 时域分割放大——翻饼烙饼来回折腾 啁啾脉冲放大的概念是什么？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1 ns。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2）。 图2 时间分割——等效于脉冲展宽 为解决这个矛盾，有人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。这个技术称为分割脉冲放大。 这个技术要经过放大前和放大后两次偏振分光，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。 4 光谱分割放大——背着抱着一边沉 还有一种叫光谱放大合成方法。将脉冲的光谱分割，分别放大，再合成在一起。这里致命的问题是，分割后光谱变窄，而这样窄的光谱恰恰是啁啾脉冲展宽的大敌！例如原来40 nm的光谱可以展宽至500 ps，现在分割到1/12，每段光谱就只能展宽成500 ps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，却是个零的游戏——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！ 图3 光谱分割相干合成技术示意图 5 衍射光学合成——顾此失彼 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的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。 6 相干脉冲堆积——终极的选择？ 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4那样，可以吗？ 图4 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5 高Q值腔相干脉冲堆积-腔倒空 (SnD) 技术示意图。frep是入射脉冲的重复频率； fswitch是腔内开关的重复频率。HR：高反射镜。 高Q值腔的脉冲腔内增强堆积放大技术见图5：入射耦合镜的反射率在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。 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%上下。脉冲的耦合入腔和导出都利用干涉效应，所以又称“GT”干涉仪。 图6 低Q值GT腔相干脉冲堆积器工作原理图。为了显示清楚，用斜入射两镜腔表示。入射的脉冲列中每个脉冲和位相是调制的，脉冲3、2、1 从腔内出射的光相继被位相相反的反射光干涉相消，因而在腔内“堆积”；最后一个入射脉冲与腔内堆积脉冲同位相，因此被导出。最先入射的脉冲3在GT表面的反射没有脉冲与其相消，留在输出的脉冲列中，在总的脉冲能量中占比不大。 1 结论 梦想终将实现 为了飞秒脉冲能量和平均功率的进一步提高，人们在不断推出新的技术。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。图7是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，经过展宽和振幅位相调制，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先生的空间分割放大合束概念的是，放大器中的光脉冲是高重复频率的，而不是几十kHz。也不同于Jena大学SnD，其方案是在倒空后空间合束。 图7 焦耳量级飞秒光纤激光产生装置 还有一种方案，仍是在高重复频率激光器基础上，把脉冲进行偏振和相位调制，再用偏振合成，但文章篇幅有限，在这里不作细说，感兴趣的同仁可以查询相关资料。 文章来源：www.oeshow.cn |
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