隨著科技的進步，飛秒激光在工業(ye) 加工領域，科學研究，生物醫學等領域應用越來越廣泛。而與(yu) 傳(chuan) 統的固體(ti) 激光器相比，光纖作為(wei) 增益介質，有散熱性能好，環境穩定性高，光束質量好，輸出靈活等優(you) 勢。光纖器件的集成化程度高也有利於(yu) 工業(ye) 大規模應用，因此光纖飛秒激光器也得到了越來越廣泛的關(guan) 注。

鎖模振蕩腔通常可以得到pJ-nJ級別能量的飛秒脈衝(chong) ，如果直接對脈衝(chong) 進行放大，高峰值功率引入的強烈的非線性效應會(hui) 導致脈衝(chong) 畸變，甚至可能對光纖造成損傷(shang) 。為(wei) 此為(wei) 了獲得高能量高質量的飛秒脈衝(chong) ，人們(men) 提出了多種光纖飛秒放大技術，諸如啁啾脈衝(chong) 放大（CPA）技術，非線性放大技術等等。

CPA技術最早由法國物理學家Mourou和加拿大物理學家Strickland共同發明，也讓他們(men) 榮獲了2018年的諾貝爾物理學獎。

它的基本原理是：先在時域上展寬飛秒脈衝(chong) 通常到皮秒甚至納秒量級，來降低脈衝(chong) 的峰值功率；然後再對展寬後的脈衝(chong) 進行放大，這樣在放大到同樣峰值功率時，由於(yu) 脈寬的展寬，能得到的單脈衝(chong) 能量就更大，最後時域壓縮脈衝(chong) ，就可以獲得更高峰值功率的脈衝(chong) 。

但是脈衝(chong) 在微米量級的光纖纖芯中傳(chuan) 輸，不可避免的會(hui) 受到非線性效應的影響。非線性效應主要包括自相位調製（SPM），自陡峭，受激拉曼散射以及自聚焦等。

光纖的非線性係數可以描述為(wei)

ω₀為(wei) 中心角頻率，Aeff為(wei) 有效模場麵積，n2為(wei) 光纖的非線性折射率係數，c為(wei) 光速。

在脈衝(chong) 放大過程SPM最先出現，對於(yu) 大部分脈衝(chong) 來說，SPM效應會(hui) 帶來無法補償(chang) 的非線性相移，最終導致去啁啾後脈衝(chong) 出現基底。為(wei) 了定量的描述整個(ge) 係統引入的非線性係數，引入了參量B積分，定義(yi) 為(wei)

公式中，L為(wei) 傳(chuan) 輸距離，I為(wei) 光強。

B積分描述了脈衝(chong) 在整個(ge) 係統中的SPM效應積累的非線性相移量。當B積分小於(yu) π時，一般認為(wei) 非線性相移可以忽略，大於(yu) π時，非線性效應導致的脈衝(chong) 質量的降低一般不能忽略。

為(wei) 了減小放大係統裏非線性相移，一種途徑是把脈衝(chong) 展的更寬降低峰值功率，一種是增加光纖的模場麵積。

B積分描述了脈衝(chong) 在整個(ge) 係統中的SPM效應積累的非線性相移量。當B積分小於(yu) π時，一般認為(wei) 非線性相移可以忽略，大於(yu) π時，非線性效應導致的脈衝(chong) 質量的降低一般不能忽略。

為(wei) 了減小放大係統裏非線性相移，一種途徑是把脈衝(chong) 展的更寬降低峰值功率，一種是增加光纖的模場麵積。

傳(chuan) 統的CPA技術使用光柵對-光柵對，光纖-光柵對，作為(wei) 展寬器和壓縮器。近些年展寬器出現了啁啾光纖光柵，啁啾體(ti) 布拉格光柵，壓縮器出現了啁啾體(ti) 布拉格光柵和空心光子帶隙光纖等。

各類展寬器和壓縮器都有自己的優(you) 點和缺點。光柵對作為(wei) 展寬器會(hui) 引入空間結構，不利於(yu) 全光纖集成，並且體(ti) 積大。光纖和光柵對的三階色散無法匹配。

空芯光子帶隙光纖，可以利用其波導色散代替傳(chuan) 統的壓縮器實現真正的全光纖結構，但是光纖長度很難精確控製，和普通光纖的熔接也是一個(ge) 問題。目前啁啾體(ti) 布拉格光柵最多隻能展寬/壓縮500ps的脈衝(chong) 寬度。

目前最常用的結構是啁啾光纖光柵作為(wei) 展寬器，啁啾體(ti) 布拉格光柵或者光柵對作為(wei) 壓縮器。但是正如上段所述目前啁啾體(ti) 布拉格光柵最多隻能展寬/壓縮500ps的脈衝(chong) 寬度，光柵對的尺寸和整體(ti) 壓縮光路的尺寸會(hui) 隨色散量的增加越來越龐大。這些都限製了脈衝(chong) 展寬量。

展寬和壓縮的色散補償(chang) 要精確，飛秒種子脈衝(chong) 在展寬和放大後如果壓縮時色散補償(chang) 不好，會(hui) 導致脈衝(chong) 變寬。啁啾光纖光柵可以通過溫度調諧和應力的方式精細管理色散，多用於(yu) 飛秒激光器中，如Teraxion已經有成熟的商業(ye) 產(chan) 品。

而基於(yu) 多光子脈衝(chong) 內(nei) 幹涉相位掃描 (MIIPS)，再通過液晶調製器進行相位調製的技術，以及聲光可編程色散濾波器（AOPDF, Acousto-opto Programmable Dispersive Filter，或者更常見的名稱Dazzler）等，也可以對脈衝(chong) 進行精細的色散管理。

SPM引入的TOD近似為：

Ф_SPM為(wei) SPM的峰值，ω為(wei) 頻率，S(ω)為(wei) 歸一化光譜強度，此時脈衝(chong) 具有三次方的非線性相位延遲，所以這種脈衝(chong) 被稱為(wei) 立方子(cubicon)。

圖表4 L.Shah等人實驗光路圖

脈衝(chong) 在光纖中的演化過程由自相位調製、 色散及增益共同決(jue) 定。如果在種子光被放大前，預先引入一定量的負啁啾, 那麽(me) 脈衝(chong) 在放大過程中， 自相位調製和色散共同作用， 光譜會(hui) 被更大程度地展寬，這種放大技術稱作預啁啾管理。非線性放大技術(PreＧChirp Managed Amplification, PCMA) 。可以通過計算最優(you) 的預啁啾量, 獲得最佳質量的壓縮脈衝(chong) 。

圖表5 預啁啾管理實驗光路圖

當脈衝(chong) 經曆非線性光譜展寬時，吸收和放大會(hui) 主動重塑脈衝(chong) 和增益譜本身。基於(yu) 此，人們(men) 提出了增益管理非線性放大（Gain-Managed Nonlinear Amplifier）技術。

在Gain-Managed Nonlinear Amplifier放大係統中，非線性造成的光譜變寬被強大的、縱向演化的增益整形所平衡。與(yu) 增益被認為(wei) 是靜態的傳(chuan) 統的超快放大器相比，在GMN係統中，增益光譜的演變起著重要的作用。通常情況下，增益管理非線性放大器需要正色散和光譜增益曲線縱向演變的共同作用。在Pavel Sidorenko和Frank Wise 2020年的一篇文章中，他們(men) 利用增益管理放大技術獲得了1μJ，小於(yu) 40fs的脈衝(chong) 。

參考文獻
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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.
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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.