在過去幾年中，由於(yu) 受到熱致模式不穩定性和非線性效應的影響，單一光纖放大器所能產(chan) 生的平均功率、脈衝(chong) 能量和峰值功率等性能指標，已經遇到難以克服的瓶頸。解決(jue) 該問題的有效途徑是利用多路光纖放大器分別放大超快脈衝(chong) ，之後進行多光束相幹合成。該技術有望顯著提高超快光纖激光的性能參數(如高重複速率下的焦耳級脈衝(chong) 能量)，進一步拓展其更廣泛的應用（比如應用於(yu) 強場物理、激光粒子加速等)。

德國Jena課題組是該技術的開拓者。他們(men) 在2017年報道了利用集成化程度比較高的16個(ge) 分離的光纖放大通道對光束進行放大再合束 [1]，實驗裝置如圖1所示。在主放大器之前，通過脈衝(chong) 展寬器將脈衝(chong) 展寬並用空間光調製器調節其相位，隨後又經過3個(ge) PM980光纖、兩(liang) 個(ge) 聲光耦合器、2級模場直徑分別為(wei) 42 μm及56 μm的大軸距光纖進行了預放大，得到了50 w左右的功率。在該工作中，主放大器增益光纖為(wei) 大模場麵積棒狀光纖。空間合成係統在分束時是用偏振分光器和半波片把光束先分為(wei) 上下兩(liang) 束再進一步把上下的光束各分成並列的八束。為(wei) 了提高合成效率和光束品質，該係統利用半波片及四分之一波片對非線性偏振旋轉進行補償(chang) ；每個(ge) 通道均有壓電驅動的反射鏡，用於(yu) 穩定每路的相位。最終通過集成的布儒斯特型薄膜偏振器完成合束後，再利用Treacy型光柵壓縮器對脈衝(chong) 進行壓縮。

圖1 基於(yu) 16個(ge) 單一光纖放大器的多路相幹合成摻鐿超快光纖激光係統

在合束結果方麵，空間合成係統最終的總功率為(wei) 1830 w，合束效率為(wei) 82％，光譜寬度10.2 nm（圖2左），脈衝(chong) 寬度為(wei) 234 fs（圖2右），其變換極限脈寬為(wei) 200 fs。未進行最終合束的上下兩(liang) 層光束功率均為(wei) 1 kw左右，上下兩(liang) 層的合束效率分別為(wei) 95％和91％，光束的質量因子均為(wei) 1.3。

圖2 合束後光譜（左）和自相關(guan) 曲線（右）

光束為(wei) 偏橢圓形的高斯光束（圖3左），光束的質量因子大約為(wei) 3，質量較差，主要來源於(yu) 用於(yu) 合束的偏振器的熱效應（圖3右）。將來可以通過將該偏振器換成具有低吸收鍍膜的薄膜偏振器，避免熱透鏡效應；另一個(ge) 可改進之處是將最後的透鏡式telescope換成mirror telescope。通過這兩(liang) 項改進，可以提高光束質量，有望獲得2 kw功率、合束效率90％且光束質量因子小於(yu) 1.3的高能量飛秒脈衝(chong) 。

圖3 空間合成後的光束（左）和展示了熱透鏡效應的TFP熱成像圖（右）

為(wei) 了進一步小型化該係統，Jena課題組對上述方案進行了重大改進，改進後的係統如圖4所示 [2]。

圖4 基於(yu) 集成器件的16通道相幹合成摻鐿超快光纖激光係統

該係統放大的主體(ti) 部分是多纖芯的摻鐿光纖(如圖5所示），集成化程度更高，顯著降低了係統的複雜程度。

圖5 16纖芯光纖端麵示意圖

(a)光纖端麵 (b)放大的自發輻射 (c)放大信號輸出

該係統使用兩(liang) 組分段鏡麵分束器將一束入射光在空間上分成16個(ge) 光束。這種分束器由一塊高反鏡以及一個(ge) 包含並排的四種不同反射率區域的鏡麵組成，反射率分別為(wei) 0、50％、66％、75％，把初始光束分為(wei) 4×4的矩陣，再用偏振分光器或4焦距係統來調節光束矩陣的間距，送到多纖芯光纖的端麵。

多纖芯光纖合成係統則將光束通過了一個(ge) 4×4的壓電調控鏡麵矩陣來維持相位穩定（圖6），借由鏡麵反射過程中發生的光束水平豎直方向翻轉減小了在最後telescope處的球差。鏡麵矩陣之前放置了透鏡矩陣，把鏡麵安裝時微小的傾(qing) 斜轉化為(wei) 橫向的光束偏移，從(cong) 而減小光束矩陣的畸變。之後，利用四分之一波片調節光束的偏振。為(wei) 避免各個(ge) 通道之間存在熱耦合，該課題組優(you) 化了纖芯直徑以及各纖芯之間的間距。整個(ge) 係統為(wei) filled-aperture結構，有利於(yu) 提高合束效率。

圖6 用於(yu) 相位調節反饋的信號光束（未良好幹涉光束，多為(wei) 高階模光束）

經過多纖芯光纖放大後的光束又一次經過兩(liang) 級分段鏡麵，從(cong) 而把16束光合束，其光束質量因子小於(yu) 1.2（圖7左），可以獲得近衍射極限大小的光斑（圖7右）。

圖7 多纖芯光纖係統光束M2測量（左）和合成後光束（右）

目前基於(yu) 多纖芯光纖的合成係統還處於(yu) 發展初期，Jena課題組隻是進行了原理驗證。在該實驗中，係統平均功率僅(jin) 有70 w功率，脈寬為(wei) 40 ps，合束效率為(wei) 80％。多纖芯光纖合成係統的進一步研究，依賴於(yu) 提高多纖芯光纖的製造工藝，使得纖芯矩陣排列更均勻，同時減小高階模傳(chuan) 輸帶來的損耗，並避免不同纖芯間的模式耦合。增加多纖芯光纖的纖芯數量也有利於(yu) 進一步提高功率，但也要仔細研究如何對該種光纖進行熱量管理。

參考文獻：

[1] M. Mueller, A. Klenke, H. Stark, J. Buldt, T. Gottschall, J. Limpert, and A. Tünnermann, "16 Channel Coherently-Combined Ultrafast Fiber Laser," in Laser Congress 2017 (ASSL, LAC), OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2017), paper AW4A.3.

[2] A. Klenke, M. Müller, H. Stark, F. Stutzki, C. Hupel, T. Schreiber, A. Tünnermann, and J. Limpert, "Coherently combined 16-channel multicore fiber laser system," Opt. Lett. 43, 1519-1522 (2018)

來源：光波常 ，作者賈雪琦