华中科技大学研究团队利用相干光束组合，突破单光纤激光放大器极限

从科学研究到工业加工等各个领域，高功率、高能量超快光纤激光器是不可或缺的工具。薄盘激光器、板状激光器和光纤激光器，利用独特的几何结构和有效的散热实现出色的平均功率。特别是光纤激光器，由于可扩展的功率、优异的光束质量、先进的热管理和持续的稳定性等固有优势，成为业界的选择。

尽管光纤激光器具有以上这些特点，但由于热效应、非线性效应等原因，单个光纤激光放大器的功率/能量扩展遇到了上限。为了应对上述挑战，业界通常采用大模场面积光纤来减轻非线性效应。然而，这种方法可能会导致高阶模式的出现，从而降低光束质量。

基于棒状光子晶体光纤（PCF）的光纤放大器，是一种能显著提高平均功率和脉冲能量的方法。棒状PCF的模场面积大，长度相对较短（一般为50-100厘米），能有效抑制非线性效应，同时还能确保光纤内近乎单模的光束传输。

棒状PCF独特的光子晶体结构，还能有效抑制横模不稳定性（TMI）。棒状PCF已成功应用于光纤放大器，可产生数百瓦平均功率和毫焦耳级的脉冲能量，实现了各种高功率激光应用。此前，NKT Photonics A/S公司报告称，在新设计的棒状PCF中实现了平均功率为248W的脉冲，增强了抑制TMI的能力，从而扩展了单根棒型光纤的功率扩展边界。

尽管如此，棒状PCF仍然面临自聚焦效应所带来的固有功率缩放限制。对于以基本横向模式工作的光纤激光器来说，这种效应将1μm波长下可达到的峰值功率限制在4-6MW的范围内。为了进一步提高功率，克服这一限制的成功策略是相干光束组合（CBC）。

相干光束组合实验装置示意图
 

在相互相干和相位关系稳定的条件下，多束激光可以叠加并相互干扰。这种方法可以提高平均功率和脉冲能量，提高的幅度几乎等于组合通道的总数。利用双通道CBC技术，光纤激光器平均功率可达约100W，相应的脉冲能量为100mJ。组合通道数的增加与组合平均功率的增加成正比，从100W增加到千瓦范围，同时脉冲能量也从100μJ增加到30mJ。

这些CBC系统的单通道输出功率约为100W，所需的组合通道数是100W的倍数。通道数的扩充增加了CBC系统的复杂性，导致波束组合效率、波束质量、稳定性和其他性能因素的降低。因此，迫切需要提高每个信道的功率，同时减少合并信道的数量，以获得最佳的系统性能。为了同时获得较高的峰值功率，CBC技术通常与啁啾脉冲放大技术（CPA）相结合。

这种方法是将脉冲拉伸到几纳秒，使种子光几乎被线性放大到接近100W的平均功率水平。然后使用一对衍射光栅对放大后的脉冲进行压缩。然而，由于增益收窄和色散失配，压缩后的脉冲通常达不到傅立叶变换限制的脉冲宽度，通常被压缩到300fs左右。

虽然可以通过频谱整形和后压缩技术进一步压缩脉冲持续时间，但这些方法明显增加了系统的复杂性和操作难度。该领域一直需要一种更简单的脉冲压缩解决方案。此外，如何利用较少的波束结合通道实现较高的平均功率和脉冲能量也是至关重要的。

近日，华中科技大学的研究人员报告了利用填充孔径相干光束结合技术，实现了平均输出功率403W、脉冲能量0.5mJ、时间260fs的超快光纤激光系统。在确保良好功率稳定性（RMS<0.5%）的同时，还实现了优异的光束质量（M²<1.2）。

这项题为“具有精确高阶色散管理的260fs、403W相干组合光纤激光器”的研究成果发表在《光电子学前沿》上。研究团队通过利用集成电子色散硬件，对光栅压缩后高阶色散的不完全补偿进行了有效补偿，在优化脉冲宽度的同时，还实现了脉冲质量的卓越改善。

a)组合光束的M2测量；b)单个通道和组合脉冲的光谱

研究介绍了一种高功率、高能量光纤激光系统，该系统采用了CBC技术和两个掺镱棒状光纤放大器。CBC系统经过精心设计，只有两个通道，单个光纤放大器的平均功率超过230W，同时还能保持优异的光束质量。

这一技术创新最终实现了433W的出色平均功率输出，以及0.3%RMS的稳定性，有效克服了单光纤放大器的相关限制。为了解决残余色散问题，尤其是高阶色散问题，研究人员采用了自制的二次谐波发生频率分辨光栅（SHG-FROG）来进行色散表征。

此外，他们还利用可调脉冲拉伸器（TPSR）对四阶以下的色散进行了精确补偿。通过采用这些先进技术，双通道CBC光纤激光系统取得了令人瞩目的性能，可提供403W的平均功率、504μJ的脉冲能量和260fs的脉冲持续时间。

在本次研究中，华中科技大学团队提出了一种高功率超快光纤激光系统。该系统结合了两个放大器通道的相干光束组合。通过采用相干光束组合，超越了单通道棒状光纤放大的功率限制，将系统功率提高到433W，综合效率达到93%。

可调谐脉冲拉伸器（TPSR）的协同使用，实现了对残余高阶色散的精确补偿。配合光栅压缩器，成功将脉冲持续时间从488fs优化到260fs，将主峰能量提高到92%。该系统的平均功率为403W，压缩后的脉冲能量为504μJ。

此外，CBC每个通道的平均功率超过230W，简化了系统的复杂性和操作挑战。利用这些创新的棒型光子晶体光纤，只需使用四通道相干光束组合就能产生毫焦脉冲能量和千瓦平均功率的飞秒脉冲。未来，仅使用四通道相干合成有望将功率提高到kw级，脉冲能量提高到mJ级。