從鎖模到CPA放大 ——飛秒光纖激光器中的物理
文/邵國棟 武漢華日精密激光股份有限公司
刊載于《激光世界》2018年11/12月 第6期
前言
北京時(shí)間10月2日下午，瑞典皇家科學(xué)院公布了2018年的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，由來(lái)自于美國的Arthur Ashkin，法國的Gerard Mourou和他的學(xué)生、 加拿大的Donna Strickland女士三位物理學(xué)家分享了這今年的諾貝爾物理學(xué)獎金。本次獎項的50%授予Arthur Ashkin的“光鑷及其在生物系統中的應用”，另一半授予Gerard Mourou和Donna Strickland的“啁啾脈沖放大技術(shù)(Chirped Pulse Amplification，CPA)，用于生成高強度的超短脈沖激光的方法”。這一讓所有超快激光研究人員振奮的新聞，把啁啾脈沖放大這個(gè)讀起來(lái)有點(diǎn)繞口甚至有些人都不會(huì )念的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)放大到了公眾面前。在諾獎委員會(huì )的官方新聞稿里，他們是如下描述CPA技術(shù)的：
"First they stretched the laser pulses in time to reduce their peak power, then amplified them, and finally compressed them. If a pulse is compressed in time and becomes shorter, then more light is packed together in the same tiny space – the intensity of the pulse increases dramatically."
對于激光放大器來(lái)講，在激光材料損傷閾值和非線(xiàn)性效應如自聚焦等其他物理因素的限制下，放大器對于可達到的激光脈沖峰值功率有一個(gè)上限，使用傳統對種子脈沖直接放大的方法無(wú)法突破這個(gè)物理限制。因此Mourou他們提出了一個(gè)方法：先在時(shí)域上展寬需要放大的脈沖（一般是通過(guò)延時(shí)線(xiàn)，Dispersion delay line），在單脈沖能量不變的情況下降低峰值功率；然后再對展寬后的脈沖進(jìn)行放大，這樣在放大到同樣峰值功率時(shí)，由于脈寬的展寬，能得到的單脈沖能量就更大，最后時(shí)域壓縮脈沖（一般通過(guò)相反色散量的延時(shí)線(xiàn)），就可以獲得更高峰值功率的脈沖。
如果只是像上述那樣定性地解釋CPA技術(shù)的話(huà)，即使是非專(zhuān)業(yè)人士也能讀懂，甚至覺(jué)得的很簡(jiǎn)單，有些人就會(huì )問(wèn)類(lèi)似的問(wèn)題：“為什么普通調Q或者M(jìn)OPA脈沖光纖激光器不能通過(guò)CPA技術(shù)放大到更高能量呢？”想要回答這個(gè)問(wèn)題，就必須對CPA技術(shù)的物理原理和飛秒光纖激光器背后的物理做一番解釋了，而且想要研發(fā)飛秒光纖激光器的話(huà)，必須對飛秒光纖激光器中的物理原理需要理解非常清楚才行，不然設計出來(lái)的激光器可能就會(huì )有問(wèn)題。借諾貝爾獎的東風(fēng)，作者結合自己的學(xué)術(shù)研究方向，和在武漢華日激光從事高功率飛秒光纖激光器的研發(fā)經(jīng)驗，從鎖模原理出發(fā)，結合CPA技術(shù)，與大家簡(jiǎn)要討論一下飛秒光纖激光器背后的物理原理，希望通過(guò)這篇文章能夠讓更多人了解超快激光，從而推動(dòng)激光器和超快激光加工的發(fā)展。
1、鎖模
鎖模（Mode locking）是激光器產(chǎn)生超短脈沖的方法之一，與調Q（Q-Switching）相類(lèi)似，鎖模也是對激光器腔內進(jìn)行調制，讓原本連續光（Continuous wave, CW）分裂，從而產(chǎn)生脈沖。但是鎖模與調Q僅僅是在物理現象上有所相似，其物理原理是完全不一樣的。本章從鎖模的物理原理出發(fā)，介紹一下鎖模脈沖的特性和目前通用的鎖模方法。
1.1 鎖的是什么“?！?？
調Q，顧名思義，是對激光器腔內的Q因子進(jìn)行調制，本質(zhì)上是一種損耗調制，結合增益介質(zhì)的增益特性產(chǎn)生脈沖。而鎖模這個(gè)詞就沒(méi)有那么直觀(guān)了，鎖頻激光器（Frequency locked laser）有些人可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)，是通過(guò)外腔反饋等方法將激光器的輸出波長(cháng)鎖定在非常窄的頻率范圍。但是鎖模激光器是鎖定的什么“?！蹦?？這就得從激光器的模式說(shuō)起。
通常大家在討論連續激光器和普通脈沖激光器時(shí)，會(huì )遇到“500 W單模連續光光纖激光器”、“200 W多模脈沖光纖激光器”之類(lèi)的說(shuō)法，這里提到的“單?！?、“多?！崩锩娴募す饽Ｊ绞侵傅募す獾臋M模（Transverse Mode），即激光器輸出光斑的空間分布，描述的是激光的空間（Spatial）特性，在lp坐標下的模式分布如圖1所示。上面提高的“單模激光器”代表輸出激光的空間模式是基模，即圖中的0-0 模式；而“多?！敝傅募す夥植汲嘶Ｍ?，還有其他的高階?！癏igh order mode， HOM”。橫模的產(chǎn)生和分布是由激光器腔的光學(xué)特性決定。在光纖激光器中，激光在光纖中傳輸的波導特性決定了輸出激光的橫模分布，通常使用“V”值來(lái)衡量光纖是否支持多模，“M”（M≈V2/2）值表示光纖中支持的橫模數量。
圖1. 在拉蓋爾-高斯坐標中的激光橫模分布。（圖片來(lái)源：Wikipedia）
我們知道，每個(gè)激光器都由諧振腔、泵浦和增益介質(zhì)三要素構成，增益介質(zhì)接受泵浦（光或電）產(chǎn)生的ASE熒光在諧振腔中共振引起受激輻射放大產(chǎn)生激光。由于諧振腔是一個(gè)駐波腔，因此只有ASE熒光中滿(mǎn)足諧振腔駐波條件的波長(cháng)成分才能產(chǎn)生相長(cháng)共振而放大。這里我們把滿(mǎn)足諧振腔共振條件的波長(cháng)叫做縱模（Longitude mode），縱模表示激光的頻域（Spectral）性質(zhì)。同時(shí)考慮到增益介質(zhì)的光譜性質(zhì)，只有在（凈）增益譜中的縱模成分才能在激光器中起振并且被放大。如圖2中所示，圖2（a）表示激光的增益譜，具有一定的增益帶寬，例如一般一般摻鐿光纖（Ytterbium doped fiber, YDF）的增益譜寬度可達50 nm；圖2（b）表示的是一個(gè)長(cháng)度為L(cháng)，折射率為n的諧振腔中，其縱模頻率間隔Δv=C/2nL，對一個(gè)5 m長(cháng)的1064 nm線(xiàn)性光纖激光器諧振腔，縱模間隔Δv=C/2nL=107 Hz，對應于波長(cháng)間隔Δλ=3.77*10-5 nm；這樣可算出YDF的增益譜中可支持多達106個(gè)縱模成分，如圖2(c)中激光輸出包絡(luò )中所包含的縱模成分。
圖2. 激光器中的縱模和增益特性。（圖片來(lái)源：Wikipedia）
需要注意的是，我們在上面討論縱模間隔時(shí)，只考慮了激光器的線(xiàn)性特性即恒定腔長(cháng)和頻率，而在實(shí)際中尤其是超快激光器中，由于腔內較高的峰值功率，有時(shí)需要考慮非線(xiàn)性折射率n2帶來(lái)的腔長(cháng)的非線(xiàn)性部分變化和mode pulling效應。
除了橫模和縱模之外，在普通光纖中，由于光纖材料中雙折射的存在，激光在傳輸時(shí)有兩個(gè)正交的電場(chǎng)偏振方向，激光的偏振分量稱(chēng)之為偏振模（Polarization mode）。在傳輸過(guò)程中，兩個(gè)正交的偏振模會(huì )通過(guò)交叉相位調制（Cross phase modulation，XPM）和四波混頻（Four wave mixing，FWM）效應互相耦合（Polarization coupling），產(chǎn)生比如矢量孤子（Vector soliton）、偏振域（Polarization domain wall）和明暗孤子（Dark-bright vector soliton）等非常有意思的非線(xiàn)性現象。而在實(shí)際應用中，尤其是通信領(lǐng)域，即使兩個(gè)偏振方向的折射率區別非常?。ㄒ话阌膳拈L(cháng)Beat length來(lái)描述，拍長(cháng)越長(cháng)，雙折射越?。?，在長(cháng)距離光纖傳輸中，由于偏振模色散（Polarization mode dispersion，PMD）效應會(huì )導致兩個(gè)偏振方向的光信號發(fā)生走離，從而上導致信號劣化，因此在實(shí)際中通常采用PMD補償或全保偏方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。
1.2 鎖模脈沖的特性
在正常工作的激光器中，起振的各縱模的相位是雜亂無(wú)章的，因此在時(shí)域（Temporal domain）上表現出的是一個(gè)連續光；若縱模的相位（差）保持恒定時(shí)，激光在時(shí)域上的表象就是一個(gè)脈沖，若保持恒定的縱模個(gè)數越多，產(chǎn)生的脈沖就越窄，這個(gè)過(guò)程我們稱(chēng)之為鎖模（Mode locking），或者相位鎖定（Phase locking）?？v模相位鎖定產(chǎn)生脈沖的具體數學(xué)原理和推導過(guò)程在介紹激光原理的參考書(shū)上都有介紹，因此這里略去不提，有興趣的讀者可以自行查閱。我們只需要的定性地從下面三點(diǎn)理解鎖模即可：
1. 鎖模是使得激光器中振蕩的各縱模相位保持恒定；
2. 縱模相位鎖定后，激光在時(shí)域上表象是一個(gè)光脈沖：
3. 相位鎖定的縱模越多，光脈沖越窄。
鎖定的縱模越多，在光譜上表現為光譜寬度越寬。這里就要引入一個(gè)“轉換極限（Transform limited）”的概念，即對應于特定寬度的鎖模光譜，有一個(gè)最窄的鎖模脈沖寬度，對于雙曲正割型（sech2-shape）脈沖，對應關(guān)系為Δv*Δt≥0.315，對于高斯型（Gaussian-shape）脈沖則為Δv*Δt≥0.44，Δv和Δt分別代指的是鎖模脈沖的光譜寬度和脈沖寬度，其Δv*Δt數值稱(chēng)為時(shí)間-帶寬因子（Time-Bandwidth Product，TBP），通常用來(lái)衡量鎖模脈沖的啁啾（Chirp）程度。脈沖寬度符合其光譜轉換極限的脈沖被稱(chēng)為轉換極限脈沖，即該光譜狀態(tài)下可實(shí)現的最窄脈寬的脈沖。
這里我們可以從物理上區別鎖模脈沖與調Q脈沖或者M(jìn)OPA激光器中的電調制激光二極管中產(chǎn)生的脈沖（后簡(jiǎn)稱(chēng)MOPA脈沖）之間的區別。調Q脈沖和MOPA脈沖本質(zhì)上是被調制的連續光（Modulated CW），其縱模相位是雜亂無(wú)章的。而鎖模脈沖的縱模相位是鎖定的，因此可以通過(guò)傅里葉變換（Fourier tTransformation）從脈沖的頻域特性得到脈沖的時(shí)域特性，這樣的脈沖波形和光譜被稱(chēng)為是相關(guān)的（Coherent）。時(shí)域-頻域的相關(guān)性就是鎖模脈沖和調Q/MOPA脈沖最本質(zhì)上的區別。這樣也可以理解通過(guò)MOPA脈沖和鎖模脈沖產(chǎn)生的超連續譜（Super Continuum Spectrum ）的區別，由鎖模脈沖產(chǎn)生的超連續譜的相干性要比MOPA脈沖產(chǎn)生的超連續譜更好。
1.3 鎖模原理和方法
鎖模方法一般分為主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模。除了主動(dòng)相位調制之外，一般都是通過(guò)損耗調制的方式實(shí)現鎖模，其中最常用的是通過(guò)飽和吸收（Saturated Absorption）效應產(chǎn)生鎖模。飽和吸收效應，即光強越強，工作物質(zhì)的吸收越弱，當光強足夠強時(shí)，飽和吸收體（Saturable Absober, SA）被“漂白”，對光不再吸收。飽和吸收體的吸收特性和工作原理如圖3所示。飽和吸收的弛豫時(shí)間越短，能支持的鎖模脈沖寬度也就越窄。在光纖激光器中，通過(guò)飽和吸收效應鎖模的方式主要有非線(xiàn)性偏振旋轉鎖模（Nonlinear Polarization Rotation，NPR），半導體可飽和吸收鏡(Semiconductor Saturable Abosrption Mirror, SESAM)鎖模和非線(xiàn)性環(huán)行鏡（Nonlinear Loop Mirror，NOLM）鎖模。在光纖激光器中，鎖模脈沖的形成除了受飽和吸收效應影響外，光纖諧振腔的色散、非線(xiàn)性、增益/損耗和增益帶寬對鎖模脈沖的演化動(dòng)力學(xué)過(guò)程有著(zhù)重要的影響，直接決定鎖模的光譜寬度、脈沖寬度和脈沖穩定性。
圖3. 飽和吸收效應圖示。（左：飽和吸收體的吸收特性；右：飽和吸收體對脈沖的強度調制） （圖片來(lái)源：Prof. Frank Wise’s Website@Cornell University）
目前工業(yè)級光纖鎖模種子源基本都是SESAM鎖模加線(xiàn)性腔結構設計，如圖4所示，其中可以通過(guò)選擇不同的輸出啁啾光柵和SESAM參數，實(shí)現皮秒或者飛秒鎖模。在光纖飛秒鎖模種子源激光器中，飛秒激光的脈沖形成動(dòng)力學(xué)過(guò)程與光纖諧振腔參數直接相關(guān)，因此增益輸出啁啾光柵的帶寬和色散對輸出脈沖特性影響非常大，圖5所示的是華日激光提供的Erai-S型飛秒光纖鎖模種子源的輸出光譜。鎖模光譜寬度超過(guò)15nm，光譜包絡(luò )頂部非常平滑，說(shuō)明鎖模脈沖中幾乎都是線(xiàn)性啁啾，因此非常適合進(jìn)行飛秒脈沖放大，獲得高質(zhì)量的壓縮脈沖結果。
圖4. 典型的光纖鎖模種子源設計 （圖片來(lái)源：Teraxion官網(wǎng)）
圖5.華日激光的Erai-S飛秒種子源典型輸出光譜
2、啁啾脈沖放大
2.1 什么是啁啾脈沖放大？
Mourou和Strickland獲得諾貝爾獎是因為他們提出的啁啾脈沖放大技術(shù)，首先我們需要知道什么是啁啾脈沖。上一節的內容中介紹到鎖模脈沖的光譜是由很多個(gè)相位鎖定的縱模組成。而我們知道，不同波長(cháng)的光在介質(zhì)中傳播會(huì )受到色散效應（Chromatic Dispersion）的影響，即不同波長(cháng)在介質(zhì)中的折射率（Reflective Index)不同，因此傳播的速度也就有差異。對于一個(gè)鎖模脈沖而言，色散效應導致脈沖中不同縱模在介質(zhì)中的折射率不同，產(chǎn)生群速度色散（Group Velocity Dispersion，GVD），在時(shí)域上的表現為脈沖中不同成分的光在介質(zhì)中傳播速度不一樣，因此脈沖就會(huì )被展寬。從本質(zhì)上講，色散實(shí)際上是一個(gè)頻率相關(guān)的時(shí)間延時(shí)，因此這種因為色散而發(fā)生展寬的脈沖被稱(chēng)為啁啾脈沖（Chirped Pulse）。這里需要指出的是，不僅僅是色散，非線(xiàn)性效應也會(huì )產(chǎn)生啁啾，例如在光纖中的自相位調制（Self Phase Modulation，SPM），但由SPM產(chǎn)生的啁啾不僅與頻率相關(guān)，還與光強的二次方相關(guān)，因此是一個(gè)非線(xiàn)性啁啾。對于脈沖中的非線(xiàn)性啁啾，實(shí)驗中往往難以補償，而色散產(chǎn)生的線(xiàn)性啁啾，可以通過(guò)引入相反色散量進(jìn)行補償。
在最初做超短脈沖放大的研究中，光學(xué)系統的光學(xué)損傷閾值和非線(xiàn)性效應如自聚焦往往限制了放大系統可達到的最大峰值功率，從而限制了單脈沖能量，此時(shí)如果用來(lái)放大的脈沖寬度越寬，在峰值功率一定的前提下能獲得的單脈沖能量就越大。因此Mourou等人提出，可以先對超短脈沖在色散介質(zhì)引入線(xiàn)性啁啾，對脈沖進(jìn)行展寬，然后再進(jìn)行放大，最后在引入相反色散量，將展寬放大的脈沖進(jìn)行時(shí)域壓縮，即可突破光學(xué)系統的峰值閾值，獲得更高峰值功率的脈沖輸出，圖6是Mourou和Strickland介紹他們CPA工作的第一篇文章中的CPA放大示意圖（“Compression of amplified chirped optical pulses”, Optical Communication, Volume 56, Issue 3, 1985, Page 219-221）。
圖6. Mourou文章中的CPA放大和壓縮結構示意圖
下面通過(guò)這邊文章的實(shí)驗結果為例，解釋超短脈沖CPA放大的過(guò)程。實(shí)驗中采用的種子激光器是一臺早期的Nd：YAG鎖模激光器，輸出脈沖脈寬150ps，重復頻率82MHz。他們將鎖模脈沖導入一根長(cháng)為1.4km的單模光纖中，將脈沖展寬至300ps，光譜寬度50 A，即5nm，功率2.3W。展寬后的脈沖后進(jìn)入一個(gè)再生放大腔放大至單脈沖能量2mJ，然后通過(guò)一對光柵組成的Treacy壓縮器（Treacy Compressor） 將展寬后的脈沖壓縮至1.5ps。在實(shí)驗中，壓縮器的壓縮效率為50%，即壓縮后單脈沖能量1mJ，峰值功率達667 MW。雖然在30多年后看這篇文章，文中的CPA設計在很多地方是有問(wèn)題的，例如進(jìn)入展寬光纖的種子光功率太強，自相位調制的積累導致光譜展寬，而且過(guò)長(cháng)的展寬光纖也會(huì )造成偏振模色散和穩定性方面的問(wèn)題，但是其方法開(kāi)創(chuàng )了一種全新的突破光學(xué)系統峰值功率上限的技術(shù)，將超快激光器的功率提升到了新的臺階。
2.2 展寬和壓縮介質(zhì)
在做啁啾脈沖放大之前，首先需要對種子鎖模脈沖進(jìn)行展寬。一般是通過(guò)色散對引入線(xiàn)性啁啾進(jìn)行展寬，需要引入很大色散量，在光纖技術(shù)突破之前，做科學(xué)研究時(shí)通常使用光柵對對脈沖引入色散，如圖7中所示。由于不同波長(cháng)成分的光對于光柵的衍射角不同，這樣可以對不同波長(cháng)成分引入光程差，起到引入色散的效果。
圖7. 光柵對引入色散 （圖片來(lái)源：Ibsen官網(wǎng)）
使用光柵對進(jìn)行脈沖展寬，需要引入空間光路，因此在實(shí)際操作中比較復雜，不利于在工業(yè)級超快激光器中使用。而隨著(zhù)光纖技術(shù)的發(fā)展，尤其是光纖損耗的降低，目前常用光纖引入較大色散進(jìn)行脈沖展寬。下面定量的解釋如果使用光纖進(jìn)行脈沖展寬：假設種子脈沖的中心波長(cháng)1035nm，光譜寬度5 nm，脈沖寬度225 fs的轉換極限脈沖，引入100m長(cháng)的HI1060光纖中。HI1060光纖在1035nm附件的色散參數（Dispersion Parameter）為D= - 40ps/nm/km，負號表示為正常色散（Normal Dispersion）。此時(shí)鎖模脈沖通過(guò)光纖后的展寬量為|-40|ps/nm/km*5nm*100m=20ps，即脈沖展寬到20 ps+225 fs=20.225ps。我們可以看到，如果需要將脈沖展寬的更寬，需要脈沖有更寬的光譜和使用更長(cháng)的展寬光纖。雖然使用光纖展寬相較光柵對結構更簡(jiǎn)單損耗更小，但是過(guò)長(cháng)的光纖會(huì )引入大量的三階色散（Third Order Dispersion，TOD），會(huì )導致在做脈沖壓縮特性劣化，表現為在脈沖前沿會(huì )產(chǎn)生非對稱(chēng)的拖尾。同時(shí)太長(cháng)的光纖光程還會(huì )帶來(lái)不必要的自相位調制積累，也會(huì )造成脈沖壓縮的劣化，表現為脈沖前后沿產(chǎn)生無(wú)法壓縮的對稱(chēng)背底（Pedestal）。若使用普通光纖展寬的話(huà)，展寬光程太長(cháng)會(huì )導致偏振模色散，兩個(gè)偏振模會(huì )發(fā)生走離，影響脈沖壓縮質(zhì)量。
目前隨著(zhù)光柵技術(shù)的發(fā)展，某些廠(chǎng)家推出了脈沖展寬光柵，通過(guò)一段啁啾率特殊設計過(guò)的啁啾光纖光柵（Chirped fiber Bragg grating，CFBG）引入大量色散使得脈沖展寬，三階色散量也可通過(guò)光柵的特殊設計調整，這樣可以避免使用過(guò)長(cháng)的光纖展寬引入的TOD和SPM積累問(wèn)題。同時(shí)，通過(guò)對光纖光柵進(jìn)行分段控溫，可對展寬量和TOD作小范圍調整，從而實(shí)現壓縮脈沖寬度的脈沖質(zhì)量可調。但是CFBG的帶寬往往有限，色散參數較大的往往帶寬較小，帶寬較大的色散參數范圍往往有限，因此在使用中需要結合鎖模種子脈沖的光譜寬度和最終壓縮目標量，以及整個(gè)光纖光程，選擇合適參數的脈沖展寬光柵。
在對展寬的啁啾脈沖進(jìn)行放大后，需要引入和展寬時(shí)相反的色散量，對脈沖進(jìn)行壓縮。目前普遍采用的是上面所述的光柵對組成Treacy壓縮器對脈沖進(jìn)行壓縮，如圖8所示。圖9是華日激光超快Erai-35飛秒光纖激光器的壓縮后脈沖自相關(guān)測量曲線(xiàn)。Erai-35飛秒激光器輸出平均功率35W，單脈沖能量200uJ，如圖中實(shí)測脈沖寬度小于300 fs。我們可以看到脈沖底部有輕微未壓縮的背底成分，這是由于脈沖放大過(guò)程中產(chǎn)生無(wú)法補償的非線(xiàn)性積累，在高單脈沖能量飛秒光纖激光器中是普遍現象，但若脈沖背底成分過(guò)多，會(huì )使得實(shí)際單脈沖能量和峰值功率與理論計算值有較大偏差，加工中達不到理想的加工效果。為了減少背底成分對脈沖質(zhì)量的影響，需要更高質(zhì)量的鎖模種子脈沖、優(yōu)化的放大光路和壓縮器設計。
圖8. 使用透射光柵對壓縮器對展寬脈沖進(jìn)行壓縮（圖片來(lái)源：Ibsen官網(wǎng)）
圖9:華日激光超快Erai-35 飛秒光纖激光器典型輸出脈沖自相關(guān)測量曲線(xiàn)
使用光柵對結構進(jìn)行脈沖壓縮，也同樣存在著(zhù)結構復雜和空間穩定性等問(wèn)題。目前一些廠(chǎng)商提出了另外使用啁啾體光柵（Chirped Volume Bragg Grating，CVBG）進(jìn)行脈沖壓縮的方案，可以實(shí)現非常緊湊的壓縮器設計。啁啾體光柵使用特殊的光敏材料制作，與啁啾光纖光柵類(lèi)似，也是通過(guò)光敏產(chǎn)生周期性折射率變化的形式，引入大量色散量，如圖10中所示。由于CVGB是體光柵且通光面積更大，因此它可以承受很高功率(>100W)，且效率較高，而且其緊湊的結構可以實(shí)現類(lèi)似于普通光纖脈沖激光器的激光頭結構輸出。
圖10. 啁啾體光柵工作示意圖 （圖片來(lái)源：Optigrate官網(wǎng)）
另一方面，在激光脈沖峰值功率較低時(shí)，還可以使用與展寬介質(zhì)色散相反的色散補償光纖（Dispersion Compensation Fiber，DCF）進(jìn)色散補償，這種方法在1.5 um摻鉺超快光纖激光器中比較常見(jiàn)。而制作光纖的石英材料在1 um波段很難通過(guò)基于普通光纖設計的方式實(shí)現反常色散（Anomalous dispersion），因此目前1 um波段的色散補償光纖一般是通過(guò)特殊設計的光子晶體光纖實(shí)現，典型的如NKT Photonics的HC1060 Hollow Core型光子晶體光纖（Dispersion@1060nm = 120 ps/nm/km），如圖11所示。使用色散補償光纖壓縮，可實(shí)現更加緊湊的CPA放大設計，在低功率飛秒光纖激光器和飛秒光纖振蕩器中在尤為適用。
圖11. NKT Photonics公司的HC1060光纖橫截面。（圖片來(lái)源：NTK Photonics官網(wǎng)）
2.3 脈沖放大
在飛秒光纖激光器中，其放大介質(zhì)是光纖，相比于固體放大，光纖放大的峰值功率限制和SPM積累效應更加明顯，即使是采用CPA放大的形式，在普通光纖中可放大到的最高功率依然有限，因此需要使用CPA放大結合新的放大介質(zhì)例如特殊光纖和放大方法。
目前廣泛使用的以特殊光纖為放大介質(zhì)的主要包括光子晶體光纖和拉錐光纖，其目的都是特殊的光纖設計，保持基模的放大和傳輸，并實(shí)現較大的模場(chǎng)面積，從而能降低功率密度，實(shí)現更高功率輸出。光子晶體光纖主要使用的是NKT Photonics生產(chǎn)的40/200 光子晶體光纖和65/85um纖芯直徑的棒狀光子晶體光纖(PCF ROD)兩種。其中40/200光纖放大的峰值功率可達150~200 KW, 一般用于最大單脈沖能量50uJ左右的的超快光纖激光器中，例如法國Amplitude公司的Satsuma系列、相干公司的Monaco系列和通快的TruMicro2020系列；而更大模場(chǎng)面積的棒狀光子晶體光纖中可支持 >500 KW的峰值功率，最高可支持壓縮后單脈沖能量200 uJ輸出，例如Amplitude的Tangerine系列。使用光子晶體光纖的問(wèn)題在于首先成本較高，而且目前只有NKT Photonics單家供應商，因此有很高的供應風(fēng)險，其次使用光子晶體光纖，尤其是棒狀光纖都無(wú)法做成真正的全光纖結構，仍有存在大量的空間光學(xué)結構，導致整機穩定性問(wèn)題。除光子晶體外，IPG等一些激光器廠(chǎng)商使用拉錐光纖作為主放大介質(zhì)。拉錐光纖通過(guò)一定的錐形曲線(xiàn)，從小纖芯通過(guò)若干長(cháng)度后過(guò)度到大纖芯，這樣在放大過(guò)程中可以一直保持基模的持續放大，在保證光束質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現更高放大功率。
同時(shí)，通過(guò)結合一些新的激光技術(shù)與CPA技術(shù)結合，可實(shí)現更高功率的放大。例如法國的Amplitude公司在《Optics Letters》上發(fā)表的《Femtosecond fiber chirped- and divided-pulse amplification system》文章（Optics Letters，Vol.40，Issue 1，Page89-92），將CPA、分布式放大和偏振相干合成結合使用，使用PCF ROD實(shí)現脈寬320 fs、單脈沖能量430 uJ輸出，其放大光路設計如圖12中所示。
圖12. 偏振分束分布式CPA放大 （圖片來(lái)源：OSA）
總結
距1985年Mourou和Strickland在《Optics Communication》上發(fā)表第一篇CPA放大的文章至今他們因CPA技術(shù)獲得諾貝爾物理學(xué)獎已經(jīng)過(guò)去了33年。期間超快激光器尤其是超快光纖激光器無(wú)論是在理論上和工業(yè)技術(shù)上都取得了長(cháng)足的發(fā)展。
鎖模種子源從最初的固體鎖模激光器發(fā)展到了如今廣泛使用的光纖鎖模激光器，在鎖模機理和超短脈沖形成和演化機理方面的研究，從孤子鎖模（Soliton mode locking）、展寬脈沖鎖模（Stretch pulse mode locking）、自相似鎖模（Self-Similar pulse mode locking）到全正色散耗散孤子鎖模（Dissipative soliton mode locking），脈沖在鎖模激光器中的形成機理已經(jīng)獲得了非常深入的研究；同時(shí)對于鎖模材料研究，從最初的Kerr-lens鎖模，到U. Keller發(fā)明半導體和飽和吸收體鎖模，到后面光纖激光器中的NPR鎖模，NOLM鎖模到新型材料如石墨烯（Graphene）、二硫化鉬（MoS2）和黑磷（Black phosphorus）鎖模，已經(jīng)建立起完備的鎖模理論、鎖模材料實(shí)驗研究體系。在工程技術(shù)方面，商業(yè)化的半導體可飽和吸收鏡和色散補償器件使得超快鎖模種子源可以大批量供應，更成熟的制造和應用技術(shù)也使得種子源的壽命不斷提升。
在CPA的展寬-壓縮設計中，越來(lái)越多的新器件和新材料被采用，從最初的光柵對和普通光纖展寬，發(fā)展到了啁啾光纖光柵、特殊光纖等器件，在提供更多色散量的同時(shí)，提高了系統光學(xué)性能和工程便利性。壓縮器也從傳統的光柵對Treacy壓縮器設計，發(fā)展到了使用CVBG等器件，使得系統更緊湊，穩定性更強。在放大介質(zhì)方面的研究也在不斷推進(jìn)，越來(lái)越多的新器件被推出，國產(chǎn)光子晶體光纖的發(fā)展也越來(lái)越快。在追求更高功率方面，國內對碟片激光器的研究也越來(lái)越關(guān)注。
從這三十年的發(fā)展可以看出，CPA技術(shù)拋磚引玉，打破了阻礙高功率超快激光器發(fā)展最主要的限制，讓更多的技術(shù)可以“破門(mén)而入”，與CPA技術(shù)相結合，將超快激光器的研發(fā)推上一個(gè)又一個(gè)高點(diǎn)。
參考文獻：
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2. D. Strickland and G. Mourou, "Compression of amplified chirped optical pulses," Opt. Commun. 56(3), 219–221 (1985).
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