seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">   摘要無論是在固體(ti) 還是在光纖放大器中，飛秒的脈衝(chong) 能量都受到熱效應和非線性效應的製約。即使是啁啾脈衝(chong) 放大（CPA），也難以超越高峰值功率和平均功率的限製。脈衝(chong) 空間和時間分割放大－合成，有可能打破僵局，產(chan) 生高重複頻率和高脈衝(chong) 能量；而將高功率光纖放大器中的脈衝(chong) 進行相幹堆積，有可能超越啁啾脈衝(chong) 放大，得到高於(yu) 其若  幹數量級的脈衝(chong) 能量，同時保持高重複頻率。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> 關(guan) 鍵詞激光光學；相幹脈衝(chong) 堆積；相幹光束合並，高功率脈衝(chong)

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> 中圖分類號:0436

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> 文獻標識碼  Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＬＯＰ５４．１２０００１

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （華快首席科學家：張誌剛教授）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> 一：引言

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">        2 0世紀6 0年代中期，調Ｑ和鎖模技術的相繼發明，使激光脈衝(chong) 的功率有了較快的發展，但很快就到了一個(ge) 平台期。一直到2 0世紀8 0年代末期，啁啾脈衝(chong) 放大技術的出現，使激光脈衝(chong) 功率結束了二十餘(yu) 年的平台期，再次經曆了飛速發展。在脈寬不能繼續縮短的情況下，提供脈衝(chong) 能量成為(wei) 了一個(ge) 關(guan) 鍵。但是現在，脈衝(chong) 能量似乎又停滯在一個(ge) 平台上，迫切需要新技術，來觸發一場新的激光革命。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> 第一代飛秒激光器是以染料激光器為(wei) 代表的低脈衝(chong) 能量、低平均功率飛秒激光器；第二代是以鈦寶石激 光器為(wei) 代表的高脈衝(chong) 能量、低平均功率的時代；第三代則是高重複頻率、高脈衝(chong) 能量階段。第三代飛秒激光器以新一代激光粒子加速器、太空碎片清除、高通量阿秒脈衝(chong) 產(chan) 生、核聚變激光點火等應用為(wei) 牽引動力，主要特征是：焦耳量級脈衝(chong) 能量、數十千赫茲(zi) 重複頻率、千瓦以上平均功率。特別是在射頻加速器的梯 度已經接近其內(nei) 稟極限的情況下，高能量脈衝(chong) 激光有望成為(wei) 新一代小型化 ＧｅＶ 加速器的驅動源。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> 二：脈衝(chong) 相幹合成

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> ２．１  以鈦寶石為(wei) 代表的固體(ti) 飛秒激光器

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       以鈦寶石激光器為(wei) 代表的固體(ti) 激光器能產(chan) 生非常高的峰值功率，例如美國伯克利激光加速器 ＢＥＬＬＡ 係統的鈦寶石激光器產(chan) 生４０Ｊ、３０ｆｓ脈衝(chong) ，峰值功率大於(yu) １ＰＷ（１ＰＷ＝１０１５ Ｗ）。但重複頻率低至１Ｈｚ，平均功率隻有４０Ｗ。我國上海光學精密機械研究所研製的大口徑激光係統產(chan) 生１９２Ｊ、２７ｆｓ、大於(yu) ５ＰＷ峰值功率，隻是單發脈衝(chong) 。世界上其他拍瓦激光器，例如美國德克薩斯１ＰＷ釹玻璃激光器（１９０Ｊ，１７０ｆｓ）和日本大阪的２ＰＷ 激光快點火實驗（ＬＦＥＸ）釹玻璃激光器（２ｋＪ，１ｐｓ），也是單發。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> 提高重複頻率受限於(yu) 放大介質中的熱－光效應，例如熱透鏡和熱致雙折射等。改變激光介質的形狀，例如碟片激光放大器，能部分地解決(jue) 問題，但目前脈衝(chong) 能量和脈寬還不能與(yu) 鈦寶石激光器相比。最近捷克ＨｉＬＡＳＥ宣布建成平均功率１ｋＷ 的碟片超級激光器，脈衝(chong) 能量高達１００Ｊ，但脈寬為(wei) １．３ｐｓ，重複頻率僅(jin) 為(wei) １０ Ｈｚ。所以這個(ge) 碟片激光器也不能達到以上列舉(ju) 的前沿應用需求指標。提高脈衝(chong) 能量和重複頻率的努力還在持續進行中。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> ２．２  光纖激光空間合束

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       與(yu) 固體(ti) 激光器平行發展的是光纖激光器。由於(yu) 散熱好、可集成、運用靈活，光纖激光器在平均功率、能量 轉換效率和光束質量上優(you) 於(yu) 固體(ti) 激光器，單根光纖可以輸出成百甚至上千瓦的功率。但在啁啾脈衝(chong) 光纖激 光放大器中，受光纖芯徑的和由此帶來的非線性效應限製，即使用最大模場麵積的光子晶體(ti) 光纖，將其用光 柵展寬器展寬到最大脈寬，在單根光纖中獲取的脈衝(chong) 能量還是遠遠小於(yu) 光纖中儲(chu) 存的能量，峰值功率也隻有吉瓦量級，已經接近極限。其原因是非線性效應限製。從(cong) 圖１看出，要想從(cong) 光纖激光放大器中最大限度地獲取能量，除了用大模場麵積光纖，脈衝(chong) 寬度需要展寬到幾十上百納秒。而把一個(ge) １００ｆｓ的脈衝(chong) 展寬成１０ｎｓ，脈衝(chong) 展寬器中需要的光柵尺寸約為(wei) ０．９ｍ，光柵距離約為(wei) ２．７ｍ，這基本上是不現實的。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">  

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （圖1）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       １３５μｍ和５５μｍ兩(liang) 種大模場麵積光纖啁啾脈衝(chong) 放大（ＦＣＰＡ）中脈衝(chong) 能量受限。綠色圖框表示目ＦＣＰＡ達到的脈衝(chong) 能量，紅色圈表示在 Ｂ積分受限下可能從(cong) 光纖中抽取的脈衝(chong) 能量。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0em;">       直觀的解決(jue) 方案，是空間合束，即將脈衝(chong) 分成若幹路光纖分別放大再合成一路。這種技術最早用於(yu) 連續激光，最近幾年擴展到飛秒脈衝(chong) 激光。理論證明，可以將上千根光纖激光發出的光合束，以獲得單根光纖達不到的峰值功率和脈衝(chong) 能量。受到這種理念的鼓舞，ＣＰＡ技術的發明者 Ｍｏｕｒｏｕ教授提出，將一萬(wan) 根１ｍＪ、１０ｋＨｚ的光纖激光合束為(wei) １０Ｊ、１０ｋＨｚ的脈衝(chong) ，作為(wei) 將來的加速器光源和國際相幹放大網絡（ＩＣＡＮ）計劃的一部分（圖２）。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       這裏的技術問題是如何將上萬(wan) 根光纖進行合束，每個(ge) 光纖的相位都需要同步。實現起來雖然複雜，也不是不可能。目前實驗上剛剛達到８根光纖合束為(wei) １ｋＷ，１ｍＪ。我國國防科技大學也通過光纖合束得到。３１３Ｗ的平均功率、８２７ｆｓ的脈衝(chong) 。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       其實這個(ge) 方案不是控製一萬(wan) 根光纖的相位這樣的技術問題，而是概念問題。所用的單根光纖放大的脈衝(chong) 能量已經達到極限，而加速器要求的重複頻率又太低，隻有１０ｋＨｚ。即使單根光纖能提供１ｍＪ的脈衝(chong) 能量，單根光纖輸出的平均功率也隻有１０Ｗ，其實是浪費了光纖激光器高平均功率的能力。仔細想想，靠增加光纖的數目來提高脈衝(chong) 能量，除了比固體(ti) 激光器散熱好一些，與(yu) 僅(jin) 靠擴大放大介質的麵積來增加功率耐受度 有什麽(me) 區別？這是不是又回到了 ＣＰＡ 之前？這個(ge) ＣＰＡ 的開創者，怎麽(me) 走了回頭路？

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （圖2：光纖相幹合束概念圖）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> ２．３  時域分割放大

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       回頭想想，ＣＰＡ的概念是什麽(me) ？就是把脈衝(chong) 在時域展寬，再放大，然後再壓縮回去。可傳(chuan) 統的展寬器，最多也隻能把脈衝(chong) 展寬到１ｎｓ。所以光纖也好固體(ti) 也好，都承受不了高峰值功率。能不能想個(ge) 別的辦法展寬呢？有人說，把一個(ge) 脈衝(chong) 在時域上切成幾個(ge) 脈衝(chong) ，不就相當於(yu) 在時域展寬了嗎？於(yu) 是就有了脈衝(chong) 分割放大。（圖3）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （圖3：時間分割— 等效於(yu) 脈衝(chong) 展寬）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">    

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">      為(wei) 解決(jue) 這個(ge) 矛盾，有研究者提出先利用多次偏振分光將脈衝(chong) 在時域分割，經過時間延遲，將重複頻率倍 增，耦合入一根光纖放大到高平均功率後，再次將脈衝(chong) 分光、延時補償(chang) ，使之合成為(wei) 一個(ge) 脈衝(chong) （圖４）。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> 這個(ge) 技術稱為(wei) 分割脈衝(chong) 放大（ＤＰＡ）。這個(ge) 技術要經過放大前後兩(liang) 次偏振分光（ＰＢＳ），兩(liang) 套延遲控製和補償(chang) 光路，非常複雜。而且，這種利用偏振分割和合成的脈衝(chong) 的數目非常有限。時間分割和空間合束結合起來也許是解決(jue) 之道。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （圖４：時間分割－相幹合成裝置示意圖）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> ２．４  光譜分割放大

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       還有一種方法叫光譜放大合成方法，即：將脈衝(chong) 的光譜分割，分別放大，再合成在一起。（圖５）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （圖５：光譜分割－相幹合成技術示意圖）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       光柵將入射脈衝(chong) 的光譜展開，分成幾個(ge) 光譜分量分別耦合到一種多芯光纖中，放大後再通過光柵合成。在分束光柵的傅裏葉平麵上，安裝變形鏡以調諧各波長分量的相對相位。在文獻的實驗中，將４０ｎｍ的光譜分成了１２個(ge) 通道，每個(ge) 接近３～３．８ｎｍ；耦合入１５芯的光纖中（有光纖芯沒用到）。放大到平均功率１００ｍＷ，否則就會(hui) 有非線性效應產(chan) 生。這個(ge) 實驗隻證明了光譜合成後可以產(chan) 生１００ｆｓ量級的脈衝(chong) ，而非高脈衝(chong) 能量。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       這裏致命的問題是，分割後光譜變窄為(wei) ３ｎｍ，而這樣窄的光譜恰恰是啁啾脈衝(chong) 展寬的大敵！例如原來４０ｎｍ 的光譜可以展寬至５００ｐｓ，現在分割到１／１２，每段光譜就隻能展寬成５００ｐｓ的１／１２了！每根光纖（這裏是每個(ge) 芯）對應的峰值功率還是一樣的，仍然受非線性效應的限製。結果，雖然是分割放大，卻是個(ge) 零和遊戲—沒有一個(ge) 分量的脈衝(chong) 能量可以放大到超過合起來放大的脈衝(chong) 能量的１／１２。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> ２．５  衍射光學合成

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       這裏還穿插著另外一種空間合成方法，叫衍射合成。設想將入射光按不同級次的角度入射到光柵上，使其集中到零級光上。要想得到多級衍射，就得用光柵密度低的；而低密度光柵的衍射效率就會(hui) 低，因為(wei) 不可能隻有一級衍射；為(wei) 提高效率，很容易想到閃耀光柵；可要是對這麽(me) 多級次都閃耀，還叫閃耀光柵嗎？同 時，能合成的光束數目也非常有限。其實這隻是空間合束的一個(ge) 版本而已。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">       

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （圖６：利用衍射器件這裏是光柵的光束合成裝置示意圖）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> 從(cong) 圖６ 可以看出，入射４ 束，合成出７束光！零級光所占的比例能有多少呢？實驗結果是７６％。原理上用一個(ge) 光柵就可以。但是衍射後的光束會(hui) 有脈衝(chong) 陣麵傾(qing) 斜。為(wei) 了糾正這個(ge) 傾(qing) 斜才用了兩(liang) 個(ge) 光柵，雖然犧牲了一些效率。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       這４束光是從(cong) 哪兒(er) 來的呢？還是偏振分割而成的，隻不過合成不是用偏振而已。圖７ 是整個(ge) 係統的構成圖。無論如何，用壓電陶瓷控製光束的相對相位是不可避免的。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （圖７：時間分割－衍射合成裝置示意圖）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> ２．６  相幹脈衝(chong) 堆積

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       脈衝(chong) 分割放大合成是靠偏振分割，畢竟數目有限，而且分合都需要偏振和時間延遲控製。如果把脈衝(chong) 列看成已經分割好的脈衝(chong) ，直接把脈衝(chong) 在時域合成，就像圖８那樣，可以嗎？

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （圖８ 脈衝(chong) 時間堆積概念）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       人們(men) 首先想到的就是腔增強技術。腔增強時域脈衝(chong) 合束不需要脈衝(chong) 分割，不需要偏振控製，直接將脈衝(chong) 列中大量脈衝(chong) 在腔內(nei) 疊加在一起，因此也稱相幹脈衝(chong) 堆積放大（ＣＰＳＡ）技術。相幹脈衝(chong) 堆積腔的腔型可分為(wei) 兩(liang) 種：高Ｑ值腔（高精細度腔）和低Ｑ值腔（低精細度腔），區別是輸入耦合鏡的反射率和堆積後的脈衝(chong) 從(cong) 腔內(nei) 的導出方式。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （圖９高Ｑ值腔相幹脈衝(chong) ＳｎＤ技術示意圖）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> 高Ｑ值腔的脈衝(chong) 腔內(nei) 增強堆積放大技術見：圖９

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       圖中ｆｒｅｐ是入射脈衝(chong) 的重複頻率，ｆｓｗｉｔｃｈ是腔內(nei) 開關(guan) 的重複頻率，ＨＲ表示高反射鏡。圖９中入射耦合鏡的反射率Ｒ在９９％以上。將脈衝(chong) 序列連續注入與(yu) 脈衝(chong) 時間間隔相等的諧振腔，脈衝(chong) 被局限在腔內(nei) 相幹堆積，達到飽和後，通過高速光開關(guan) 將腔內(nei) 脈衝(chong) 倒空（注意不是從(cong) 入射端鏡輸出）。此技術稱為(wei) 堆積和腔倒空（ＳｎＤ）技術。模擬表明在高Ｑ值腔可堆積６００多個(ge) 脈衝(chong) 。如果導出效率能達到８０％，相當於(yu) ５００倍的增強。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       耶拿大學的研究者最近實驗證實了腔增強ＳｎＤ概念。增強腔由一個(ge) 輸入耦合鏡和１５個(ge) 腔鏡構成，輸入耦合鏡的反射率是９９％。腔倒空光開關(guan) 選用了聲光調製器（ＡＯＭ）。輸入脈衝(chong) 能量３μＪ，腔倒空出的脈衝(chong) 能量為(wei) １６０μＪ，能量倍增效率是６５倍（遠低於(yu) 理想的６００倍，受限於(yu) 腔內(nei)  ＡＯＭ的非線性效應），脈寬為(wei) ８００ｆｓ。ＳｎＤ有兩(liang) 點限製：一是為(wei) 了適應腔內(nei) 光開關(guan) ＡＯＭ幾十納秒的上升沿和下降沿時間，這個(ge) 實驗中，諧振腔相當長（３０ｍ），與(yu) 之匹配的入射脈衝(chong) 列的重複頻率為(wei) １０ＭＨｚ；二是為(wei) 了減少 ＡＯＭ的上升沿時間，在ＡＯＭ上的光斑也相當小（０．４ｍｍ），這對進一步提高脈衝(chong) 能量不利。為(wei) 了提高功率耐受性，他們(men) 又提出了高速機械開關(guan) 。對於(yu) 高Ｑ值腔增強，Ｍｏｕｒｏｕ教授認為(wei) 腔倒空開關(guan) 並不存在。的確，麵對如此高的脈衝(chong) 能量，無論是電光調製器（ＥＯＭ），還是 ＡＯＭ，都無法承受得住。Ｍｏｕｒｏｕ教授進一步指出，高速機械開關(guan) 本質上還是機械開關(guan) ，機械不可能有那麽(me) 高的速度。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">      密歇根大學的 Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ教授提出了用低Ｑ值腔將脈衝(chong) 疊加在一起的概念。在低Ｑ值腔內(nei) 堆積放大技術中，入射耦合鏡的反射率很低，在４０％左右。脈衝(chong) 的耦合入腔和導出都利用幹涉效應，所以又稱Ｇｉｒｅｓ－Ｔｏｕｒｎｏｉｓ幹涉儀(yi) （ＧＴＩ）。以４個(ge) 脈衝(chong) 的脈衝(chong) 列為(wei) 例，如圖１０所示，編號３、２、１、０的脈衝(chong) 相繼入射到輸入耦合界麵，為(wei) 了顯示清楚，圖中用斜入射兩(liang) 鏡腔表示。３號脈衝(chong) 的６０％入射到腔內(nei) ，經底層反射鏡和頂層反射鏡反射，與(yu) ２號脈衝(chong) 的入射部分在腔內(nei) 相幹疊加堆積；而２號脈衝(chong) 在界麵的反射光與(yu) ３號脈衝(chong) 的透射光相幹相消。同理，１號脈衝(chong) 與(yu) 腔內(nei) ３號和２號脈衝(chong) 相幹堆積，而最後入射的０號脈衝(chong) ，其能量與(yu) 腔內(nei) 堆積的脈衝(chong) 能量相等、相位相同，形成相幹反射增強，相當於(yu) 一個(ge) 開關(guan) ，將腔內(nei) 脈衝(chong) 全部導出。這種技術稱為(wei) ＧＴ 相幹堆積（ＧＴＩ－ＣＰＳ）。美中不足的是，最初的３號脈衝(chong) 的反射光沒有與(yu) 之幹涉相消的腔內(nei) 脈衝(chong) ，因此就留在了反射光脈衝(chong) 列內(nei) 。但因時間與(yu) 輸出脈衝(chong) 相隔很遠，與(yu) 最終輸出的脈衝(chong) 相比，３號脈衝(chong) 的反射光能量占比非常小，可以忽略，也可以通過選單技術將其消除。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （圖:10：低Ｑ值 ＧＴ腔相幹脈衝(chong) 堆積器工作原理圖）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       實際應用的 ＧＴＩ堆積器是圖１１（根據參考文獻改畫）所示的四鏡或三鏡腔。需要指出的是，這種ＧＴ腔型看起來和薩尼亞(ya) 克幹涉儀(yi) 相似，實際上是不同的：入射耦合鏡的方向相差９０°，結果是，ＧＴＩ腔內(nei) 隻有一個(ge) 方向的光循環，而薩尼亞(ya) 克幹涉儀(yi) 腔內(nei) 有兩(liang) 個(ge) 相對方向的光循環。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （圖:11：實際使用的（ａ）四鏡腔和（ｂ）三鏡腔 ＧＴＩ堆積器；（ｃ）薩尼亞(ya) 克幹涉儀(yi) ）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       實際上激光器輸出的是等幅度脈衝(chong) 列，幅度調製意味著能量損失。好在理論和實驗證明，對於(yu) 等幅入射的脈衝(chong) 列，隻要滿足以上相位條件，用ｍ 個(ge) 腔相聯，能將２ｍ＋１等幅脈衝(chong) 合成為(wei) 一個(ge) 脈衝(chong) 。如ｍ＝４，即４個(ge) 腔，就可以把９個(ge) 等振幅的入射脈衝(chong) 合成為(wei) 一個(ge) 主脈衝(chong) ；ｍ＝８，就可以把１７個(ge) 等振幅的入射脈衝(chong) 合成為(wei) 一個(ge) 主脈衝(chong) 。更進一步，如果想加速這個(ge) 過程，可用級聯堆積，即下一級堆積器的腔長是前一級的ｍ＋１ 倍。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       Ｎ級級聯就可以將（２ｍ＋１）Ｎ個(ge) 相幹脈衝(chong) 堆積為(wei) 一個(ge) 。如圖１２（圖中堆積器未按比例畫）所示，兩(liang) 級４＋４個(ge) 腔，就可以堆積８１個(ge) 脈衝(chong) 。脈衝(chong) 列被切割為(wei) ８１個(ge) 脈衝(chong) 一組，脈衝(chong) 組的重複頻率可根據應用需求設置，例如１０ｋＨｚ。一級堆積器將８１個(ge) 相幹脈衝(chong) 堆積為(wei) ９個(ge) 脈衝(chong) ；二級堆積器將９個(ge) 相幹脈衝(chong) 堆積為(wei) １個(ge) 脈衝(chong) 。Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ研究小組用本研究小組提供的１ＧＨｚ光纖激光器，通過一級 ＧＴＩ堆積器，將１ｎｓ間隔的９個(ge) ０．１ｍＪ的脈衝(chong) 合成為(wei) 接近１ｍＪ能量的脈衝(chong) ［３１］；他們(men) 又通過一級堆積器，將２７個(ge) 相幹脈衝(chong) 堆積為(wei) 一個(ge) 脈衝(chong) 。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （圖12：二級相幹脈衝(chong) 堆積示意圖）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       圖１３是實驗得到的脈衝(chong) 堆積結果，圖中紅色是入射的２７個(ge) 脈衝(chong) ，藍色是經過４＋１個(ge) 腔將２７個(ge) 脈衝(chong) 堆積為(wei) 一個(ge) 脈衝(chong) 。可以看到，入射脈衝(chong) 基本上被壓了下去，堆積到第２７個(ge) 脈衝(chong) 上。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> 對於(yu) 這個(ge) 進步，Ｍｏｕｒｏｕ教授同樣有疑問：Ｇａｌｖａｎａｕｓｋａｓ研究小組得到的脈衝(chong) 的對比度（２０ｄＢ）與(yu) Ｍｏｕｒｏｕ所得脈衝(chong) 的對比度（１２０ｄＢ）差距較大。從(cong) 圖１３可見，第９個(ge) 脈衝(chong) 因為(wei) 無脈衝(chong) 與(yu) 之相幹相消，隻好以大約２倍於(yu) 入射脈衝(chong) 的功率，孤零零地留在脈衝(chong) 列中；主脈衝(chong) 附近也有脈衝(chong) 殘留。如同任何一個(ge) 新技術，總 會(hui) 有缺點。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （圖13  ４＋１個(ge) 腔的腔內(nei) 脈衝(chong) 堆積後的脈衝(chong) 列）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> ２．７  隻有多種技術合起來才能達到最高脈衝(chong) 能量，目前從(cong) ０．１ｍＪ堆積出的脈衝(chong) 能量是毫焦量級。        

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       對於(yu) 很多應用，例如飛秒加工，已經夠用了。要達到焦耳量級，則需要用更多級堆積。而多級腔，每一級腔長都是前一級腔長的數倍。例如１ ＧＨｚ激光器作為(wei) 種子脈衝(chong) ，一級堆積腔長是３０ｃｍ，二級堆積腔長是２．７ｍ，三級堆積腔長是２４．３ｍ，四級腔的腔長就是２１８．７ｍ！之後級次的腔長更會(hui) 大得驚人！多通長腔的方案因反射損耗巨大也變得不可行。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> 怎麽(me) 辦？圖１４給出焦耳量級脈衝(chong) 的裝置構想。高重複頻率光纖激光器輸出的脈衝(chong) ，經過展寬和振幅相位調製，在空間分成若幹路放大，然後空間合束。最後是脈衝(chong) 的時域堆積和脈衝(chong) 壓縮。注意這裏不同於(yu) Ｍｏｕｒｏｕ教授的空間分割放大合束概念的是，放大器中的光脈衝(chong) 的重複頻率很高，而不是幾十千赫茲(zi) 。也不同於(yu) 耶拿大學的ＳｎＤ技術，其方案是在倒空後空間合束。說到這才明白，原來相幹堆積是放大的最後一級！別誤會(hui) ，如果不需要焦耳量級的脈衝(chong) ，不分束直接放 大、堆積也是可以的。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-indent:0px;text-align:center;"> （圖１４焦耳量級飛秒脈衝(chong) 激光產(chan) 生設想裝置）

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> ３ 結 論

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       為(wei) 了飛秒脈衝(chong) 能量和平均功率的進一步提高，人們(men) 不斷地推出新的技術。在眾(zhong) 多的新技術中，也許相幹脈衝(chong) 堆積技術與(yu) 其他分束合成技術的結合，有希望將脈衝(chong) 能量和平均功率提高幾個(ge) 數量級。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;"> 相幹脈衝(chong) 堆積技術剛剛推出，還有很多技術問題沒解決(jue) ，例如：

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       １）信噪比。如圖１３所示，目前實驗中的信噪比不到２０ｄＢ。計算至少可達４０ｄＢ。提高信噪比，需要對脈衝(chong) 的重複頻率、相位和堆積腔長進行嚴(yan) 格的控製和同步。這麽(me) 多腔的同時控製和同步，是一個(ge) 艱巨的 任務。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       ２）脈衝(chong) 寬度。上述討論一直沒提脈衝(chong) 寬度，目前堆積出來的脈衝(chong) 還是在幾百飛秒量級。脈衝(chong) 寬度小於(yu) １００ｆｓ，甚至是單周期脈衝(chong) 也可以做到，這就需要提高脈衝(chong) 在更寬譜內(nei) 的相幹性，即脈衝(chong) 光譜的頻率間隔和載波包絡相位的精確控製。

seline;background:#FFFFFF;color:#575757;text-align:justify;text-indent:0px;">       激光光場的精確控製。因為(wei) 是相幹堆積，需要提高飛秒激光脈衝(chong) 的相幹性，這就需要激光器本身更加穩 定，包括載波包絡相位控製、所有（上百個(ge) ）脈衝(chong) 堆積腔的腔長，也需要更加精確的控製。這是新的光場調控 的要求。這麽(me) 多參數，這麽(me) 多自由度，無法通過人為(wei) 控製。於(yu) 是就催生了一門新的學科：智能光子學。