1960年代中期，調Q和鎖模技術的相繼發明，使激光脈衝的功率有了較快的發展，但很快就到了一個平台期。一直到1980年代末期，啁啾脈衝放大技術的出現，使激光脈衝功率結束了二十餘年的平台期，再次經曆了飛速發展。在脈寬不能繼續縮短的情況下，提供脈衝能量成為了一個關鍵。但是現在，脈衝能量似乎又停滯在一個平台上，迫切需要新技術，來觸發一場新的激光革命。
本文旨在簡要說明各種提高飛秒激光脈衝能量和平均功率的技術，試圖使讀者對各種新技術有個基本的了解和判斷。
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脈衝相幹合成
這麽多方案，很糾結
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以鈦寶石為代表的固體飛秒激光器——
難以兼顧高能量與高重複頻率
以鈦寶石激光器為代表的固體激光器能產生非常高的峰值功率，但是重複頻率普遍很低。例如美國伯克利激光加速器BELLA係統的鈦寶石激光器、我國上海光學精密機械研究所研製的大口徑激光係統，就連最近捷克HiLASE宣布建成平均功率1 kW的碟片超級激光器，也難逃厄運：脈衝能量高達100 J，但脈寬為1.3 ps，重複頻率僅為10 Hz。
提高重複頻率，受限於放大介質中的熱-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，能部分地解決問題，但目前脈衝能量和脈寬還不能與鈦寶石激光器相比。提高脈衝能量和重複頻率的努力仍在持續進行中。
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光纖激光空間合束——
“揚短避長”，又倒退回CPA之前？
與固體激光器平行發展的是光纖激光器。但在啁啾脈衝光纖激光放大器中，受光纖芯徑和由此帶來的非線性效應限製，峰值功率也隻有GW，已經接近極限。
直觀的解決方案是空間合束，即將脈衝分成若幹路光纖分別放大再合成一路。這種技術最早用於連續激光，最近幾年擴展到飛秒脈衝激光。但是如何將上萬根光纖的合束，每個光纖的相位且都需要同步，技術上可行嗎？實現起來雖然複雜，也不是不可能。
啁啾脈衝放大（CPA）技術的發明者G. Mourou 教授目前實驗上剛剛錄得8根光纖合束為1 kW，1 mJ。我國國防科技大學也通過光纖合束得到313 W 的平均功率、827 fs的脈衝。
仔細想想，靠增加光纖的數目來提高脈衝能量，除了比固體激光器散熱好一些，與僅靠擴大放大介質的麵積來增加功率耐受度有什麽區別？這是不是又回到了CPA之前？唉，這個CPA 的開創者，怎麽走了回頭路？
圖1 光纖相幹合束概念圖。①種子源激光器；②脈衝展寬；③分束；④多級放大；⑤合束和脈衝壓縮；⑥聚焦；⑦>10 J, 10 kHz 脈衝
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時域分割放大——翻餅烙餅來回折騰
啁啾脈衝放大的概念是什麽？就是把脈衝在時域展寬，再放大，然後再壓縮回去。可傳統的展寬器，最多也隻能把脈衝展寬到1 ns。所以光纖也好固體也好，都承受不了高峰值功率。能不能想個別的辦法展寬呢？有人說，把一個脈衝在時域上切成幾個脈衝，不就相當於在時域展寬了嗎？於是就有了脈衝分割放大（圖2）。
圖2 時間分割——等效於脈衝展寬
為解決這個矛盾，有人提出先利用多次偏振分光將脈衝在時域分割，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，再次將脈衝分光、延時補償，使之合成為一個脈衝。這個技術稱為分割脈衝放大。
這個技術要經過放大前和放大後兩次偏振分光，兩套延遲控製和補償光路，非常複雜。而且，這種利用偏振分割和合成的脈衝的數目非常有限。時間分割和空間合束結合起來也許是解決之道。
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光譜分割放大——背著抱著一邊沉
還有一種叫光譜放大合成方法。將脈衝的光譜分割，分別放大，再合成在一起。這裏致命的問題是，分割後光譜變窄，而這樣窄的光譜恰恰是啁啾脈衝展寬的大敵！例如原來40 nm的光譜可以展寬至500 ps，現在分割到1/12，每段光譜就隻能展寬成500 ps的1/12了！每根光纖（這裏是每個芯）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，卻是個零的遊戲——沒有一個分量的脈衝能量可以放大到超過合起來放大的脈衝能量的1/12！
圖3 光譜分割相幹合成技術示意圖
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衍射光學合成——顧此失彼
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的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低，因為不可能隻有一級衍射；為提高效率，很容易想到閃耀光柵；可要是對這麽多級次都閃耀，還叫閃耀光柵嗎？同時，能合成的光束數目也非常有限。
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相幹脈衝堆積——終極的選擇？
脈衝分割放大合成，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。如果把脈衝列看成已經分割好的脈衝，直接把脈衝在時域合成，就像圖4那樣，可以嗎？
圖4 脈衝時間堆積概念
人們首先想到的就是腔增強技術。腔增強時域脈衝合束不需要脈衝分割，不需要偏振控製，直接將脈衝列中大量脈衝在腔內疊加在一起，因此也稱相幹脈衝堆積放大技術。相幹脈衝堆積腔的腔型可分為兩種：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從腔內的導出方式。
圖5 高Q值腔相幹脈衝堆積-腔倒空 (SnD) 技術示意圖。frep是入射脈衝的重複頻率；
fswitch是腔內開關的重複頻率。HR：高反射鏡。
高Q值腔的脈衝腔內增強堆積放大技術見圖5：入射耦合鏡的反射率在99%以上。將脈衝序列連續注入與脈衝時間間隔相等的諧振腔，脈衝被局限在腔內相幹堆積，達到飽和後，通過高速光開關將腔內脈衝倒空（注意不是從入射端鏡輸出）。此技術稱為堆積和腔倒空(SnD)技術。模擬表明在高Q值腔可堆積600多個脈衝。如果導出效率能達到80%，相當於500倍的增強。
低Q值腔內堆積放大技術中，入射耦合鏡的反射率很低，在40%上下。脈衝的耦合入腔和導出都利用幹涉效應，所以又稱“GT”幹涉儀。
圖6 低Q值GT腔相幹脈衝堆積器工作原理圖。為了顯示清楚，用斜入射兩鏡腔表示。入射的脈衝列中每個脈衝和位相是調製的，脈衝3、2、1 從腔內出射的光相繼被位相相反的反射光幹涉相消，因而在腔內“堆積”；最後一個入射脈衝與腔內堆積脈衝同位相，因此被導出。最先入射的脈衝3在GT表麵的反射沒有脈衝與其相消，留在輸出的脈衝列中，在總的脈衝能量中占比不大。
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結論
夢想終將實現
為了飛秒脈衝能量和平均功率的進一步提高，人們在不斷推出新的技術。在眾多的新技術中，也許相幹脈衝堆積技術與其他分束合成技術的結合，有希望將脈衝能量和平均功率提高幾個數量級。圖7是焦耳量級脈衝的裝置構想。高重複頻率光纖激光器輸出的脈衝，經過展寬和振幅位相調製，在空間分成若幹路放大，然後空間合束。最後是脈衝的時域堆積和脈衝壓縮。注意這裏不同於Mourou先生的空間分割放大合束概念的是，放大器中的光脈衝是高重複頻率的，而不是幾十kHz。也不同於Jena大學SnD，其方案是在倒空後空間合束。
圖7 焦耳量級飛秒光纖激光產生裝置
還有一種方案，仍是在高重複頻率激光器基礎上，把脈衝進行偏振和相位調製，再用偏振合成，但文章篇幅有限，在這裏不作細說，感興趣的同仁可以查詢相關資料。
本文摘編自張誌剛發表於《激光與光電子學進展》2017.54（12）期的“相幹脈衝堆積——超越啁啾脈衝放大的新技術”，詳細版歡迎參閱當期內容。
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