王井上 張瑤 王軍利 魏志義 常國慶?

1) (中國科學(xué)院物理研究所,光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)

2) (西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,西安 710071)

飛秒光纖激光器具有平均功率高、散熱性能佳、光束質(zhì)量好和空間體積小等優(yōu)勢(shì),在基礎(chǔ)研究、工業(yè)加工、生物醫(yī)療等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用.相干合成技術(shù)能夠有效克服光纖中有害的非線性效應(yīng)和熱效應(yīng)的影響,進(jìn)一步提高飛秒光纖激光器輸出的脈沖能量和平均功率.本文介紹高功率飛秒光纖激光器相干合成的基本技術(shù)路線,重點(diǎn)闡述相干合成技術(shù)中關(guān)于填充孔徑相干合成與平鋪孔徑相干合成的最新研究進(jìn)展,并詳細(xì)介紹相干合成技術(shù)中不同類型主動(dòng)相位鎖定技術(shù)的基本原理.相信在不遠(yuǎn)的將來,飛秒光纖激光相干合成系統(tǒng)的單脈沖能量和平均功率將不斷攀升,從而開創(chuàng)許多嶄新的研究領(lǐng)域.

1 引 言

1960 年5 月16 日,梅曼成功建造第一臺(tái)激光器,至今已經(jīng)整整60 年.隨著激光技術(shù)的迅猛發(fā)展,激光器的種類也逐漸增多,常見的激光器包括全固態(tài)激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器和光纖激光器等.其中光纖激光器具有光束質(zhì)量高、成本相對(duì)低廉、散熱性能優(yōu)異、電光轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單和空間體積小等優(yōu)點(diǎn),近年來受到科研界的廣泛關(guān)注.與此同時(shí),兼具高平均功率和高單脈沖能量的飛秒光纖激光更是成為超快激光研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)之一.這種具有極端輸出參數(shù)的超快光源有望滿足基礎(chǔ)科研和工業(yè)應(yīng)用中的重大需求: 1)具有較高光束質(zhì)量的高能量超短脈沖可以清除太空垃圾[1]; 2)平均功率大于105W 的毫焦量級(jí)超短脈沖可用于加速粒子[2]; 3)高平均功率超短脈沖可以用來產(chǎn)生適合光刻要求的高通量極紫外脈沖[3].

當(dāng)前的飛秒光纖激光系統(tǒng)一般采用級(jí)聯(lián)功率放大來提升平均功率和單脈沖能量.不同于連續(xù)激光,飛秒脈沖在光纖中放大時(shí)會(huì)受到諸多限制:1)飛秒脈沖在光纖中累積過多的非線性相移會(huì)惡化放大后脈沖的壓縮質(zhì)量; 2)為了防止在放大過程中損壞光纖,脈沖的峰值功率要低于自聚焦閾值;3)對(duì)于特定參數(shù)的光纖放大器,當(dāng)輸出平均功率超過某一閾值后,輸出光束將會(huì)在基模與高階模之間無規(guī)律地轉(zhuǎn)換,出現(xiàn)橫模不穩(wěn)定性(TMI)現(xiàn)象[4?6],從而限定了最終輸出的平均功率.高功率、高能量光纖放大器通常采用大模場(chǎng)面積增益光纖,并結(jié)合啁啾脈沖放大(CPA)技術(shù)[7].在這種光纖CPA 系統(tǒng)中,飛秒脈沖在放大之前往往被展寬到幾百皮秒甚至幾納秒,從而避免放大過程中的有害非線性效應(yīng),最終通過色散補(bǔ)償器件對(duì)脈沖壓縮獲得更高的峰值功率和更大的單脈沖能量[7].

目前,普遍認(rèn)為TMI 現(xiàn)象的根源在于大模場(chǎng)光纖中傳播著一定比例的高階模式.當(dāng)輸出功率(熱負(fù)載)超過某一閾值后,能量在基模與高階模之間來回轉(zhuǎn)移,如圖1 所示[8].這種動(dòng)態(tài)的橫模不穩(wěn)定現(xiàn)象嚴(yán)重惡化了光束質(zhì)量.雖然更小芯徑的光纖由于支持更少的高階模式而具有更高的TMI 閾值,但是小芯徑光纖的模場(chǎng)面積較小,脈沖在放大時(shí)更易積累較多的非線性相移.可見,大模場(chǎng)面積與低TMI 閾值之間存在難以調(diào)和的矛盾: 更大的模場(chǎng)面積支持更高能量的超短脈沖輸出,但輸出的平均功率嚴(yán)重受限; 較小的模場(chǎng)面積支持更高的TMI 閾值(平均功率),但輸出的脈沖能量受限.這對(duì)矛盾曾一度使得大能量飛秒光纖激光器輸出的平均功率被限制在200 W 左右[9].隨著光子晶體光纖設(shè)計(jì)和拉制技術(shù)的進(jìn)步,高階模離域和選擇性摻雜等優(yōu)化技術(shù)被相繼提出[10],這些抑制高階模式的手段一定程度上提高了飛秒光纖激光器的TMI 閾值,但是單根光纖所能獲得的平均功率仍然不盡人意.目前,單根光纖獲得的最高單脈沖能量為2.2 mJ[11],獲得的最大平均功率為1 kW左右[12],光纖激光器輸出的平均功率與脈沖能量嚴(yán)重受限.

圖1 TMI 示意圖[8]Fig.1.Schematic representation of TMI[8].

為了得到更高脈沖能量和更高平均功率的超短脈沖,研究人員將相干合成技術(shù)引入到了飛秒光纖激光領(lǐng)域.最早的相干合成技術(shù)主要運(yùn)用在連續(xù)光激光器中[13,14],隨著TMI 現(xiàn)象的出現(xiàn)和高功率飛秒光纖激光器需求的不斷增大,相干合成技術(shù)在高功率飛秒光纖激光器中的應(yīng)用越來越廣泛.2006 年,Mourou 教授(2018 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主)等[15]提出了相干放大網(wǎng)絡(luò)(CAN)的最初概念: 將數(shù)以千計(jì)的飛秒光纖激光器進(jìn)行相干合成,作為下一代粒子加速器的驅(qū)動(dòng)源.相干合成技術(shù)總體上可以分為三類: 1)時(shí)域相干合成,2)空域相干合成,3)頻域相干合成.頻域相干合成技術(shù)的研究相對(duì)較早,多采用色散器件等分光裝置將多束中心頻率不同的窄帶連續(xù)光進(jìn)行分束與合成[16].近年來,頻域相干合成技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了將不同中心頻率的兩束寬譜激光進(jìn)行相干合成,得到了周期甚至亞周期量級(jí)的飛秒脈沖[17].頻域相干合成技術(shù)極少用于高功率飛秒光纖激光系統(tǒng)中,因此本文不做過多介紹.本文主要介紹基于時(shí)域和空域相干合成的飛秒光纖激光技術(shù),這里的合成不單單是空間或時(shí)間上的強(qiáng)度合成,還需要滿足各脈沖間的頻率相同或頻率差不變、相位差恒定,這樣合成轉(zhuǎn)換的光束才能維持穩(wěn)定的相干狀態(tài).相干合成的顯著優(yōu)勢(shì)在于提高脈沖能量和平均功率的同時(shí)保留了單根光纖的光束質(zhì)量和光譜寬度.

2012 年,在歐盟提出的國際相干放大網(wǎng)絡(luò)(ICAN)項(xiàng)目的推動(dòng)下,飛秒光纖相干合成技術(shù)在平均功率和單脈沖能量方面取得了突破性進(jìn)展[18].圖2 給出了近年來單根光纖與多根光纖相干合成技術(shù)在平均功率和單脈沖能量輸出方面的提升情況[19].藍(lán)色區(qū)域?yàn)閱胃饫w的典型輸出范圍,紅色區(qū)域?yàn)榻Y(jié)合了分脈沖放大技術(shù)的多根光纖相干合成系統(tǒng)輸出范圍.可以明顯看出,相干合成將飛秒光纖激光器輸出的平均功率和單脈沖能量推向了頂峰.德國耶拿大學(xué)的Tünnermann 教授課題組是飛秒光纖激光相干合成方面的領(lǐng)軍團(tuán)隊(duì),創(chuàng)造了飛秒光纖激光器最高單脈沖能量23 mJ[20]和最高平均功率10.4 kW[21]兩項(xiàng)紀(jì)錄.

相干合成技術(shù)按合成方式一般可分為兩種: 一種是圖3 (a)中的填充孔徑相干合成,另一種是圖3 (b)中的平鋪孔徑相干合成.在飛秒光纖激光領(lǐng)域中,通常利用激光光束的偏振特性實(shí)現(xiàn)填充孔徑相干合成,合成后光束的空間場(chǎng)分布在近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)處重合.平鋪孔徑相干合成基于相位調(diào)控的衍射光學(xué)原理,將多個(gè)激光光束進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)合成,合成后光束在遠(yuǎn)場(chǎng)相干疊加,能量主要集中在光斑中心,同時(shí)出現(xiàn)占有較少能量的次級(jí)旁瓣.關(guān)于相干合成技術(shù),國內(nèi)外已有多篇綜述文獻(xiàn)介紹該領(lǐng)域的發(fā)展[22?27].本文將圍繞飛秒光纖激光中的填充孔徑相干合成與平鋪孔徑相干合成技術(shù),重點(diǎn)介紹最近四年內(nèi)的研究進(jìn)展.

圖 2 摻Y(jié)b光纖CPA系統(tǒng)的脈沖能量與平均功率的關(guān)系(三角形,單路; 圓圈,結(jié)合了分脈沖放大(DPA)和空間相干合成(CBC)的CPA 系統(tǒng); 虛線表示脈沖重頻)[19]Fig.2.Pulse energy as a function of average power for Ybfiber CPA systems.Triangles,single emitters; circles,CPA systems incorporating divided pulse amplification (DPA)and coherent beam combining (CBC).Dashed lines mark the repetition rate[19].

圖3 (a)填充孔徑相干合成; (b)平鋪孔徑相干合成Fig.3.(a) Filled aperture coherent combination; (b) tiled aperture coherent combination.

2 填充孔徑相干合成

飛秒光纖激光相干合成系統(tǒng)大多采用基于偏振分束鏡(PBS)等偏振分光元件的填充孔徑相干合成技術(shù)[22].圖4 (a)和圖4 (b)展示了如何利用PBS 進(jìn)行填充孔徑空間相干合成與分束,合成可以看作是空間分束的逆過程[26].在圖4 (a)中,入射光經(jīng)PBS 后被分為兩束功率相等偏振態(tài)相互正交的光束; 在圖4 (b)中,功率相等偏振正交的兩束光經(jīng)過PBS 后被合成為一束線偏振光.

圖4 (a),(b)空間上的分束與合成; (c),(d) 時(shí)間上的分束與合成Fig.4.(a),(b) Splitting and combining in space domain;(c),(d) splitting and combining in time domain.

填充孔徑空間相干合成技術(shù)對(duì)飛秒光纖激光系統(tǒng)的平均功率提升十分明顯,但是對(duì)于單脈沖能量的提高則相對(duì)有限[28].2007 年,美國康奈爾大學(xué)Wise 課題組[29]報(bào)告了一種時(shí)間相干合成方案—時(shí)間分脈沖放大技術(shù)(DPA).在飛秒光纖DPA 系統(tǒng)中,脈沖分解與合成過程也可以借助PBS 來實(shí)現(xiàn).在分解脈沖時(shí),PBS 將一個(gè)脈沖序列在空間上分成偏振正交的兩個(gè)不同方向傳播的脈沖序列,這兩束脈沖經(jīng)過不同的時(shí)間延遲后在空間上又合為一束激光.圖4(c)所示為一個(gè)脈沖被分為兩個(gè)脈沖的過程.脈沖的時(shí)域合成如圖4(d)所示: 相鄰的兩個(gè)正交偏振脈沖之間存在時(shí)間延遲,經(jīng)過PBS 后被分成兩路,然后經(jīng)過補(bǔ)償時(shí)延將兩個(gè)偏振正交的脈沖合成為一個(gè)脈沖,此過程是圖4(c)的逆過程.

相干合成技術(shù)中的功率放大級(jí)一般采用大模場(chǎng)面積光纖或者多芯光纖.功率放大級(jí)中不同通道之間的相位差對(duì)最終合成效率的影響很大.不同通道間的光纖長度差異、耦合損耗差異等都會(huì)產(chǎn)生相位差,進(jìn)而降低合成效率.填充孔徑相干合成的合成效率定義為時(shí)間合成效率與空間合成效率的乘積.空間合成效率是指合成后的總功率與合成前各路功率和的比值,時(shí)間合成效率是指合成后的脈沖能量與合成前各脈沖能量和的比值.

2.1 填充孔徑空間相干合成

在填充孔徑空間相干合成中,一般將一個(gè)脈沖序列在空間上分成N 路后分別放大,再在空間上重新合成為一束,合束過程中需要精確控制各路脈沖的相位以實(shí)現(xiàn)相干合成.在2010 年,Tünnermann教授課題組[30]首次將填充孔徑空間相干合成技術(shù)用于飛秒光纖激光系統(tǒng),合成效率達(dá)到97%.隨著工作不斷推進(jìn),該課題組次年對(duì)飛秒光纖激光填充孔徑相干合成技術(shù)中需要考慮的因素做了部分總結(jié)[31].2016 年,該課題組報(bào)道了8 路光纖激光空間相干合成的工作[32],最終獲得了平均功率為1 kW、脈沖能量為1 mJ、脈沖寬度為260 fs 的激光輸出,合成效率高達(dá)91%.這一參數(shù)是當(dāng)時(shí)飛秒光纖激光器所能達(dá)到的最高平均功率,標(biāo)志著mJ 級(jí)飛秒光纖激光器邁入了千瓦量級(jí).

2018 年,Tünnermann 教授課題組[33]使用16根棒狀光纖進(jìn)行相干合成實(shí)驗(yàn),最終得到了平均功率為1.83 kW 的飛秒激光輸出,脈沖能量也進(jìn)一步提高到了2.3 mJ.由于TMI 的影響,單根棒狀光纖所能獲得的平均功率被限制在200 W 左右.為了進(jìn)一步提高飛秒激光系統(tǒng)的平均功率,Tünnermann 教授課題組[28]在同一年使用橫模不穩(wěn)定性閾值更高的階躍型摻鐿增益光纖(Yb 20/400)作為主放大級(jí),通過四路空間相干合成后得到了3.5 kW 的飛秒脈沖,這是當(dāng)時(shí)飛秒光纖激光器最高的平均功率,但是系統(tǒng)輸出單脈沖能量則相對(duì)較低,僅有43 μJ.

2020 年,Tünnermann 教授課題組[21]將摻鐿增益光纖的放大通道數(shù)擴(kuò)展到12 路,相干合成實(shí)驗(yàn)裝置如圖5 所示.為了保證后續(xù)12 路放大的種子光足夠強(qiáng),最后一級(jí)預(yù)放大使用與主放大型號(hào)相同的光纖將平均功率提高到150 W.預(yù)放大后的脈沖經(jīng)過分束器(BS)被平均分成12 路注入主放大增益光纖之中,主放大使用11 m 長的摻鐿階躍型光纖(Yb 20/400),所有主放大增益光纖都放置在水浴模組中冷卻降溫.空間合成單元每兩個(gè)通道之間相干合成,在最終合成路徑的反饋控制單元中設(shè)置有3 個(gè)監(jiān)測(cè)反饋回路,分別實(shí)現(xiàn)相位調(diào)整、群速度穩(wěn)定和光束角度自調(diào)節(jié)的功能.最終該實(shí)驗(yàn)獲得了平均功率為10.4 kW、脈沖寬度為254 fs、重復(fù)頻率為80 MHz 的飛秒激光輸出,合成效率達(dá)到96%.這一工作將飛秒光纖激光器輸出的平均功率首次推到了萬瓦級(jí)別,具有里程碑式的意義.

2.2 填充孔徑時(shí)間及空間多維度相干合成

空間相干合成技術(shù)顯著提升了飛秒光纖激光系統(tǒng)的平均功率,分脈沖放大技術(shù)則對(duì)飛秒光纖激光系統(tǒng)的單脈沖能量提升功不可沒.隨著對(duì)高功率高能量飛秒激光系統(tǒng)的不斷追求,融合空間相干合成與分脈沖放大等多種手段的多維度相干合成技術(shù)已是大勢(shì)所趨.

圖5 12 路相干合成的裝置圖[21]Fig.5.Setup of twelve channel coherent beam combination[21].

2015 年,Tünnermann 教授課題組首次報(bào)道了將時(shí)間相干合成與空間相干合成結(jié)合的多維度相干合成實(shí)驗(yàn)[34],隨后進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置,在2016 年報(bào)道了利用8 路空間相干合成結(jié)合4 個(gè)時(shí)間分脈沖放大的實(shí)驗(yàn)方案,實(shí)驗(yàn)裝置見圖6[35].振蕩器輸出的種子光先經(jīng)過展寬器展寬到1.3 ns,再利用空間光調(diào)制器對(duì)種子脈沖整形以優(yōu)化最終輸出脈沖的壓縮質(zhì)量.在預(yù)放大階段,兩個(gè)聲光調(diào)制器用來進(jìn)行脈沖選擇,使其重復(fù)頻率可以在55.9 kHz—1.06 MHz 之間調(diào)節(jié).第四級(jí)預(yù)放大之后設(shè)置基于PBS 的時(shí)間延遲線,產(chǎn)生8 和4 ns 的時(shí)間延遲,從而將1 個(gè)入射脈沖在時(shí)間上分成4 個(gè)子脈沖,并注入第五級(jí)預(yù)放大.此后,利用偏振分束器件將這一束激光平均分為8 束分別放大,放大完成之后的8 束激光進(jìn)行空間相干合成為一束激光.這一束激光再通過時(shí)間延遲線將之前分離的脈沖合成為一個(gè)脈沖.整個(gè)系統(tǒng)在空間合成與時(shí)間合成完成后,可以獲得平均功率為700 W,脈沖能量為12 mJ,脈沖寬度為262 fs 的超短脈沖,合成效率為78%.

圖6 多維度相干合成實(shí)驗(yàn)裝置圖[35]Fig.6.Experimental setup of multi-dimension coherent combination[35].

利用PBS 進(jìn)行分脈沖時(shí),當(dāng)子脈沖個(gè)數(shù)過多時(shí),會(huì)大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜性,而且影響最終的時(shí)間合成效率,因此子脈沖數(shù)量一般不超過4.近年來發(fā)展出的脈沖堆疊技術(shù)可以突破分脈沖數(shù)量的限制,其基本思路在于利用相位調(diào)制器(如電光調(diào)制器)對(duì)高重頻脈沖序列進(jìn)行相位調(diào)制,再借助其他手段產(chǎn)生不同偏振的子脈沖串[36?38].2020 年,北京大學(xué)張志剛教授課題組[39]基于1 GHz 的光纖振蕩器,利用該技術(shù)產(chǎn)生了128 個(gè)偏振調(diào)制后的子脈沖,并成功實(shí)現(xiàn)了128 個(gè)脈沖的相干合成.脈沖堆疊技術(shù)大大提高了時(shí)間分脈沖的數(shù)目,成為提升脈沖能量的重要技術(shù)手段.

2019 年,Tünnermann 課題組[20]利用圖7 所示的多維度相干合成裝置獲得了23 mJ 的單脈沖能量輸出.系統(tǒng)的預(yù)放大前端包括振蕩器、展寬器、脈沖整形器和兩級(jí)聲光調(diào)制器(AOM).在第2 個(gè)AOM 之后,他們將光束分為兩路分別注入兩個(gè)獨(dú)立的電光調(diào)制器(EOM)中進(jìn)行相位調(diào)制,以滿足在PBS 之后產(chǎn)生不同相位的8 個(gè)子脈沖.電光調(diào)制器后產(chǎn)生的脈沖序列經(jīng)過數(shù)級(jí)預(yù)放大后被空間上平均地分成12 束,分別注入12 個(gè)光纖放大器中放大,之后利用偏振器件將放大后的12 束激光重新合成為一束,空間合成后的光束仍包含時(shí)域上的8 個(gè)分脈沖.由于該實(shí)驗(yàn)滿足脈沖合成的時(shí)間延遲線較長,因此采用多通腔結(jié)構(gòu)(MPC)補(bǔ)償時(shí)間延遲.裝置圖(圖7)中的下半部分利用3 個(gè)由凹面鏡組成的級(jí)聯(lián)多通腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈沖時(shí)間合成.不同的腔長對(duì)應(yīng)不同的時(shí)間延遲,完成時(shí)間延遲補(bǔ)償后即可將這8 個(gè)脈沖合成為一個(gè)脈沖.使用多通腔不僅縮小了空間結(jié)構(gòu)也有利于維持時(shí)間合成后的光束質(zhì)量.最終合成得到了平均功率為674 W、脈沖能量為23 mJ 的輸出脈沖,合成效率為80%.為了避免空氣電離,實(shí)驗(yàn)中分出10%的平均功率進(jìn)行了脈沖壓縮,壓縮后脈沖寬度為235 fs.本實(shí)驗(yàn)主要側(cè)重于提高脈沖能量,因此選用了模場(chǎng)較大的棒狀光纖,但是對(duì)平均功率的提升比較有限.相比于其他純空間相干合成實(shí)驗(yàn)來說,本實(shí)驗(yàn)中既存在時(shí)間相干合成又存在空間相干合成,因而最終合成效率較低.

圖7 使用EOM 的多維度相干合成實(shí)驗(yàn)裝置圖[20]Fig.7.Experimental setup of multi-dimension coherent combination using EOM[20].

2.3 填充孔徑空間相干合成新技術(shù)—基于多芯光纖的相干合成

相比于傳統(tǒng)固態(tài)激光器,光纖近似于一維的幾何結(jié)構(gòu)使得光纖激光器很容易實(shí)現(xiàn)高密度的擺放以減小空間體積.盡管如此,當(dāng)空間相干合成路數(shù)較多時(shí),整個(gè)光纖激光系統(tǒng)的體積也會(huì)變得異常龐大.考慮到空間體積這一因素,飛秒光纖激光填充孔徑相干合成系統(tǒng)的合成路數(shù)一般限制在16 路以內(nèi)[33].近年來,多芯光纖的出現(xiàn)為光纖激光空間合成實(shí)現(xiàn)集成化提供了解決方案.圖8 所示為七芯光子晶體光纖的橫截面圖,包含7 個(gè)呈花瓣?duì)钆帕械南嗷オ?dú)立纖芯[40].多芯光纖的纖芯之間需要保持一定的距離才能保證光束在各纖芯內(nèi)獨(dú)立傳輸,否則會(huì)造成纖芯之間的模式耦合.

圖8 七芯光子晶體光纖橫截面的掃描電子顯微鏡圖像[40]Fig.8.Scanning electron microscope images of a seven-core photonic crystal fiber cross section[40].

2018 年,Tünnermann 教 授 課 題 組[41]利 用16 芯的多芯光纖作為功率主放大級(jí)驗(yàn)證了多芯光纖空間相干合成的可能性.實(shí)驗(yàn)裝置如圖9 所示,在信號(hào)輸入端的分光裝置中,他們通過兩個(gè)方向不同的分段反射鏡分光器(SMS)將一束光平均分成16 束,分別耦合到多芯光纖的16 個(gè)芯徑中進(jìn)行放大.在多芯光纖放大級(jí)后,通過逆序使用與分光裝置中參數(shù)相同的兩個(gè)SMS 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)16 束激光的空間合成.用于分束及合束過程的分段反射鏡是多芯光纖相干合成技術(shù)中的關(guān)鍵器件,每一塊分段反射鏡的反射率沿某一方向依次遞減(如75%,66%,50%和0%).以分光過程為例,第一塊分段反射鏡配合一塊高反鏡可以實(shí)現(xiàn)光束一分為四的目的,其后,第二塊分段反射鏡與第一塊分段反射鏡分段方向正交,配合另一塊高反鏡可以將第一次分光后的每一束光再一分為四,最終得到16 個(gè)子光束.通過上述裝置,他們最終得到了平均功率為70 W、脈沖寬度為40 ps 的脈沖,合成效率為80%.該實(shí)驗(yàn)為原理驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn),雖然獲得的平均功率比較有限,但是實(shí)驗(yàn)上證明了單根多芯光纖用于高功率空間相干合成的可行性.相比于傳統(tǒng)多根光纖的空間相干合成方案,多芯光纖用于空間相干合成大大減少了激光系統(tǒng)所占的空間體積.相信隨著多芯光纖設(shè)計(jì)技術(shù)和光纖拉制工藝的提升,單個(gè)芯徑輸出的平均功率將會(huì)大幅提升,因此利用多芯光纖進(jìn)行相干合成具有巨大的應(yīng)用潛力.

圖9 多芯光纖相干合成的實(shí)驗(yàn)裝置圖[41]Fig.9.Setup of coherent combination in multi-core fiber[41].

對(duì)于上述工作中使用的SMS,每一束光都需要一個(gè)特定反射率的區(qū)域,如果參與合成的光束數(shù)量增加,SMS 的實(shí)驗(yàn)復(fù)雜度以及制造成本都會(huì)相應(yīng)增加.Tünnermann 教授課題組[42]對(duì)SMS 進(jìn)行了簡化,實(shí)驗(yàn)裝置如圖10 所示.簡化后鏡片的反射率區(qū)域數(shù)量減少到1—3 個(gè),導(dǎo)致多束光共用1 個(gè)反射率區(qū),經(jīng)過數(shù)值方法優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)合成效率的最大化.

圖10 三種簡化的SMS 設(shè)計(jì)變體(R1,R2,R3 表示多個(gè)輸入光束之間共享的不同反射率鍍膜區(qū)域; N1,N2,N3 表示每個(gè)鍍膜區(qū)域共享的光束數(shù)目)[42]Fig.10.Three simplified SMS design variants.R1,R2,R3 indicate reflectivity of coating sections shared between multiple input beams.N1,N2,N3 indicate the number of beams shared in each coating section[42].

3 平鋪孔徑相干合成

與填充孔徑相干合成技術(shù)形成鮮明對(duì)比的是,平鋪孔徑相干合成不需要偏振光學(xué)器件等即可實(shí)現(xiàn)放大器輸出光束的直接合成,有利于減少合成裝置的復(fù)雜度,并提升合成光纖通道數(shù)目的上限.在平鋪孔徑相干合成技術(shù)中,通過獨(dú)立調(diào)控每一束激光的相位可以將多束光纖輸出的激光經(jīng)過準(zhǔn)直后在遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的干涉疊加.合成后光束的空間場(chǎng)分布在近場(chǎng)具有各自獨(dú)立的光束孔徑,在遠(yuǎn)場(chǎng)才會(huì)形成穩(wěn)定的合成光束.在平鋪孔徑相干合成技術(shù)中,提高拼接光束占空比能夠獲得更高能量集中度的合成光斑.相比于空間透鏡組,微透鏡陣列擁有更小的體積,有利于提高放大后準(zhǔn)直光束的占空比,因此平鋪孔徑相干合成系統(tǒng)通常采用微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)光束準(zhǔn)直.

在XCAN 計(jì)劃的推動(dòng)下,巴黎綜合理工大學(xué)與泰利斯公司開始聯(lián)合研究用于更多數(shù)目光纖的平鋪孔徑相干合成技術(shù).圖11 是以上兩個(gè)合作單位在2018 年利用七根光子晶體光纖進(jìn)行平鋪孔徑相干合成的實(shí)驗(yàn)裝置[43].裝置圖中振蕩器產(chǎn)生的種子光脈沖先后經(jīng)過脈沖選擇器、展寬器、脈沖整形器以及多級(jí)預(yù)放大,可分別實(shí)現(xiàn)降低重頻、展寬脈沖、脈沖整形及功率預(yù)放大等功能.預(yù)放大后的脈沖在空間上被分成8 束,其中一束激光作為實(shí)時(shí)相位測(cè)量的平面波參考光,其余7 束經(jīng)過7 個(gè)獨(dú)立的光纖放大器放大,放大后的光束經(jīng)過微透鏡陣列準(zhǔn)直進(jìn)入遠(yuǎn)場(chǎng)的平鋪孔徑相干合成.參考光與合成光束疊加后由高速相機(jī)測(cè)量干涉圖樣,據(jù)此推算出每個(gè)通道與參考光的相對(duì)相位,然后利用帶寬為1 kHz 的反饋回路穩(wěn)定每一路激光束的相位.上述裝置最終輸出平均功率為71 W、重頻為55 MHz、脈寬為216 fs 的脈沖,合成效率為45%.雖然實(shí)驗(yàn)中參與合成的增益光纖數(shù)量和合成后的平均功率都相對(duì)較低,但是驗(yàn)證了在平鋪孔徑相干合成中可利用單個(gè)高速相機(jī)來評(píng)判合成效率,為進(jìn)一步增加合成光纖通道數(shù)目打下基礎(chǔ).合成效率較低的原因主要源于平鋪孔徑相干合成技術(shù)本身,即使是利用高斯光束進(jìn)行平鋪孔徑合成,其效率僅有68%[44].

圖11 CBC 實(shí)驗(yàn)裝置圖[43]Fig.11.Setup of CBC [43].

2020 年,巴黎綜合理工大學(xué)穩(wěn)步推進(jìn),繼續(xù)利用平鋪孔徑合成了61 路激光束[45].如圖12 所示,為了減少61 根光纖的排列誤差并提高合成效率,實(shí)驗(yàn)中使用手工堆疊方式將61 個(gè)高精度的陶瓷套管嚴(yán)格排列成正六邊形.圖13 是實(shí)驗(yàn)裝置圖[45].振蕩器輸出的脈沖被展寬到2.5 ns 后再經(jīng)過脈沖整形器優(yōu)化脈沖形狀,然后通過光纖分束器將光束一分為八,分束后的每一個(gè)子光束再被一分為八,最終產(chǎn)生64 個(gè)子光束.其中61 個(gè)子光束先經(jīng)過相位控制系統(tǒng)再經(jīng)過光纖放大器,最終由微透鏡陣列準(zhǔn)直后在遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)相干合成.實(shí)驗(yàn)采用同向泵浦以減少耦合部分的復(fù)雜程度,高精度相位控制由壓電陶瓷動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn),調(diào)節(jié)范圍是波長的18.4 倍.該實(shí)驗(yàn)獲得了平均功率為1.5 kW、單脈沖能量為500 μJ、脈沖寬度為257 fs 的輸出脈沖,合成效率約為50%.該工作證明了平鋪孔徑相干合成在大數(shù)目光纖相干合成方面的可行性,表明利用該技術(shù)的高功率飛秒光纖激光器有潛力用于加速粒子.

圖12 采用 61 根光纖合束的端面實(shí)物圖[45]Fig.12.Image of the end face of 61 fibers[45].

4 相干合成中的主動(dòng)反饋控制技術(shù)

在飛秒光纖激光相干合成系統(tǒng)中,各種因素造成的環(huán)境擾動(dòng)(如大氣湍流、機(jī)械振動(dòng)和激光系統(tǒng)中的熱漂移等)會(huì)明顯影響光束的相位,并降低合成效率.在時(shí)間相干合成過程中,可利用雙折射晶體[29]、Sagnac 結(jié)構(gòu)[46]等方法實(shí)現(xiàn)脈沖的被動(dòng)分解與合成,但使用時(shí)間延遲線的DPA 系統(tǒng)[47]和與空間合成結(jié)合的DPA 系統(tǒng)[34]大多采用主動(dòng)相位反饋控制技術(shù).該技術(shù)通過檢測(cè)光束間的相位差從而提取出誤差信號(hào),然后將其反饋給相位控制單元.相位控制單元一般為壓電驅(qū)動(dòng)的反射鏡、聲光調(diào)制器或電光調(diào)制器,具體選擇取決于相位擾動(dòng)的幅度和頻率范圍等; 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,相位誤差噪聲一般在千赫茲范圍內(nèi)[48].主要的主動(dòng)反饋控制技術(shù)包括H?nsch-Couillaud (HC)鎖相技術(shù)[49]、單探測(cè)器電子頻率標(biāo)簽技術(shù)(LOCSET)[50]、隨機(jī)并行梯度下降算法(SPGD)鎖定技術(shù)[51]和近年來新興的強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)[52]等.

圖13 61 根光纖相干合成實(shí)驗(yàn)裝置圖[45]Fig.13.Setup of 61 fibers coherent combination[45].

HC 鎖相技術(shù)最早用于穩(wěn)定激光的頻率[49],后來在填充孔徑相干合成實(shí)驗(yàn)中用來探測(cè)合成后脈沖的相位.HC 鎖相裝置基本原理見圖14: 合成后的光束通過光軸方向?yàn)?5°的1/4 波片后經(jīng)過PBS分為兩束,輸入平衡探測(cè)器的兩個(gè)端口(PD A 和PD B),產(chǎn)生差分信號(hào)[53].差分信號(hào)進(jìn)入相位控制單元后輸出電壓信號(hào),從而改變壓電器件的位移以控制時(shí)間延遲進(jìn)而鎖定相位.HC 鎖相技術(shù)從原理上決定了只適用于線偏振光的合成,并且每兩束激光的合成都需要一個(gè)HC 裝置,即一個(gè)N 路合成的激光系統(tǒng),最終需要N－1 個(gè)HC 裝置.因此,隨著合成路數(shù)增加,基于HC 鎖相技術(shù)的合成系統(tǒng)復(fù)雜度顯著上升.2010 年,Tünnermann 教授課題組[30]利用HC 裝置實(shí)現(xiàn)了兩路飛秒光纖激光的相干合成,合成效率高達(dá)97%.隨著裝置和技術(shù)上的不斷改進(jìn),2016 年該課題組實(shí)現(xiàn)了8 路脈沖的相干合成[32],2018 年又在會(huì)議上報(bào)道了16 路脈沖的相干合成[33].

圖14 HC 裝置示意圖 [53]Fig.14.Setup of HC device[53].

與HC 鎖相裝置相比,LOCSET 鎖相技術(shù)[50]在結(jié)構(gòu)上更加簡單,只需要在輸出端設(shè)置一個(gè)探測(cè)器就能探測(cè)到所有通道的誤差信號(hào).該方法基于不同調(diào)制頻率的抖動(dòng)和相干解調(diào)技術(shù)獲得控制信號(hào),分為自參考調(diào)節(jié)和自同步調(diào)節(jié)兩種.自參考調(diào)節(jié)固定一個(gè)參考通道不變,通過在其余N－1 路中加入固定頻率的低頻振蕩的方法獲得反饋信號(hào); 自同步調(diào)節(jié)則調(diào)制所有通道.2016 年,Tünnermann 教授課題組利用LOCSET 與HC 技術(shù)相結(jié)合的方法將飛秒光纖激光器的單脈沖能量提高到12 mJ[35],2018 年使用LOCSET 技術(shù)將飛秒光纖激光器的平均功率提升到了3.5 kW[28],2020 年又報(bào)道了使用LOCSET技術(shù)將平均功率提升到10.4 kW[21].總之,這種技術(shù)與HC 技術(shù)相比,具有更好的拓展性與更簡單的實(shí)驗(yàn)裝置,同時(shí)具備良好的兼容性,可以和HC 等技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于一個(gè)系統(tǒng).

另外一種應(yīng)用較多的SPGD 算法是在所有光束陣列中引入較小的隨機(jī)相位抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擾動(dòng),并根據(jù)擾動(dòng)對(duì)最終合成功率的影響生成誤差信號(hào)[51].SPGD 算法多用于平鋪孔徑與多芯光纖的相干合成中.2015 年,Ramirez 等[54]報(bào)道了利用SPGD 算法實(shí)現(xiàn)7 核多芯光纖的相干合成.2020年,Fsaifes 等[45]使用SPGD 方法實(shí)現(xiàn)了61 根光纖的平鋪孔徑相干合成,合成效率達(dá)到50%.

近年來,人工智能技術(shù)迅猛發(fā)展,與許多學(xué)科交叉融合.在飛秒光纖激光器的相干合成中也出現(xiàn)了人工智能的身影,比如將強(qiáng)化學(xué)習(xí)用于輔助實(shí)現(xiàn)鎖相.作為機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)分支,強(qiáng)化學(xué)習(xí)主要關(guān)注智能體在環(huán)境中做出的反應(yīng),最大程度地提高累計(jì)獎(jiǎng)勵(lì)的過程,通?？捎民R爾可夫決策過程來描述.2019 年,Tünnermann 和Shirakawa[52]將深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)應(yīng)用于填充孔徑合成系統(tǒng),通過基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法處理反饋誤差信號(hào).系統(tǒng)最終會(huì)收斂到一個(gè)相位相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),而且該技術(shù)具有良好的合成通道數(shù)擴(kuò)展性.

5 總結(jié)與展望

飛秒光纖激光的一系列優(yōu)勢(shì)使其在許多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用.時(shí)間相干合成技術(shù)能顯著提高超短脈沖的單脈沖能量,空間相干合成技術(shù)既能提高單脈沖能量又能提高平均功率,多維度相干合成技術(shù)則可以結(jié)合空間與時(shí)間相干合成的優(yōu)勢(shì).在空間相干合成技術(shù)中,隨著分脈沖個(gè)數(shù)和空間合成路數(shù)的增加,飛秒光纖激光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、空間體積越來越龐大.針對(duì)這一問題,基于多芯光纖的相干合成技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.隨著光纖設(shè)計(jì)和制作工藝的不斷進(jìn)步,多芯光纖將在飛秒光纖激光相干合成領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,并且時(shí)域分脈沖放大技術(shù)與多芯光纖技術(shù)相結(jié)合具有巨大潛力.Tünnermann 教授課題組長期致力于發(fā)展飛秒光纖激光填充孔徑相干合成技術(shù),已經(jīng)將飛秒光纖激光的輸出參數(shù)推到了毫焦級(jí)萬瓦的水平,為飛秒光纖激光在強(qiáng)場(chǎng)物理方向的應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).與填充孔徑相干合成技術(shù)相比,平鋪孔徑相干合成技術(shù)在系統(tǒng)放大結(jié)構(gòu)和鎖相檢測(cè)裝置方面可以大大簡化.目前,基于平鋪孔徑相干合成技術(shù)的飛秒光纖激光器雖然還沒有獲得輸出參數(shù)上的重大突破,但是這種技術(shù)所支持的相干合成光纖路數(shù)理論上可高達(dá)上萬路.強(qiáng)大的系統(tǒng)擴(kuò)展能力使得這種光纖激光系統(tǒng)有望產(chǎn)生焦耳量級(jí)的超短脈沖,從而用于加速粒子.表1匯總了幾種合成方式的最佳參數(shù)與特點(diǎn),其中P為平均功率,W為脈沖能量,η為合成效率.

表1 不同合成方法的最佳參數(shù)與特點(diǎn)Table 1.The best param eters and characteristics of different com bining methods.

相位鎖定技術(shù)是飛秒光纖激光相干合成的關(guān)鍵.現(xiàn)階段,傳統(tǒng)鎖相技術(shù)不斷發(fā)展,新的鎖相技術(shù)也在不斷涌現(xiàn).鎖相技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)在于減少裝置結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及提高相位鎖定的精度.隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力以及人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步,在不遠(yuǎn)的未來,飛秒光纖激光相干合成系統(tǒng)中鎖相裝置的復(fù)雜度將越來越低,從而可以支撐更多路數(shù)的相干合成,讓飛秒光纖激光系統(tǒng)在單脈沖能量和平均功率這兩個(gè)重要參數(shù)上獲得進(jìn)一步的突破.