光芯片的设计方法（超短脉冲的相干合成技术）
光芯片的设计方法（超短脉冲的相干合成技术）超短激光脉冲空间相干合成的基本原理和连续激光相同，如图1（a）所示。种子激光经过分束器为多路，每一路激光先后经过相位调制器（Δφ）和功率放大器，再利用空间合束器将各路放大后的激光合为一束。空间相干合成的关键技术包括相位控制、光程差控制、光束合成等。1►空间相干合成实现方法典型的超短激光脉冲相干合成系统如图1所示，种子脉冲在空间或时间上分为多个脉冲，再利用激光放大器（AMP）进行功率放大，最后将多个脉冲合成为一个脉冲，从而提高脉冲的能量和功率。为了抑制非线性效应，一般同时采用啁啾脉冲放大（CPA）技术，先对种子激光进行脉冲展宽，进行功率放大后再对脉宽进行压缩。超短激光脉冲相干合成的实现方法主要有空间相干合成、脉冲分割放大和脉冲堆叠三类。在一个激光系统中，也可以同时采用上述方法中的两种或三种。
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文 / 粟荣涛、李灿、马鹏飞、马阎星、周朴
国防科技大学前沿交叉学科学院
高功率超短脉冲激光在科学研究、工业生产和生物医疗等领域具有重要应用价值。激光加速器、惯性约束聚变等重大科技前沿领域对光场强度提出了极高的需求。例如，文献1提出新一代激光等离子体加速器的基本需求是：脉宽小于100 fs、重频15 kHz、单脉冲能量32 J、平均功率480 kW、光束质量接近衍射极限[1]，单台激光难以满足上述指标要求。对多束激光进行相干合成能够提升激光功率的同时保持光束质量，是未来大型超短脉冲激光系统的重要技术途径。
实现方法
典型的超短激光脉冲相干合成系统如图1所示，种子脉冲在空间或时间上分为多个脉冲，再利用激光放大器（AMP）进行功率放大，最后将多个脉冲合成为一个脉冲，从而提高脉冲的能量和功率。为了抑制非线性效应，一般同时采用啁啾脉冲放大（CPA）技术，先对种子激光进行脉冲展宽，进行功率放大后再对脉宽进行压缩。
超短激光脉冲相干合成的实现方法主要有空间相干合成、脉冲分割放大和脉冲堆叠三类。在一个激光系统中，也可以同时采用上述方法中的两种或三种。
1►空间相干合成
超短激光脉冲空间相干合成的基本原理和连续激光相同，如图1（a）所示。种子激光经过分束器为多路，每一路激光先后经过相位调制器（Δφ）和功率放大器，再利用空间合束器将各路放大后的激光合为一束。空间相干合成的关键技术包括相位控制、光程差控制、光束合成等。
图1 超短激光脉冲相干合成的主要实现方法
（1）相位控制：相位控制是为了消除各路激光之间的相位差，实现各路激光的同相位输出。按照相位控制的物理机制，主要分为被动相位控制和主动相位控制。被动相位控制是通过一定的能量耦合机制或者非线性相互作用实现各路激光相位起伏的自动补偿。主动相位控制利用相位检测和控制系统对各路激光的相位起伏进行主动补偿。
（2）光程差控制：在脉冲激光相干合成中，由于光程差的存在，会使脉冲激光不能在时域上完全重合；更严重的是还会造成群延时，使各路激光的相位差存在频域啁啾。例如，对于光谱宽度10 nm量级的超短激光脉冲，光程差一般需要控制到十几个波长以内。
（3）光束合成：根据排布特点，光束合成可以分为分孔径合成和共孔径合成两大类。在分孔径合成中，需要使各路激光紧密拼接，以提高阵列光束远场光斑的能量集中度。共孔径合成中，各路激光在空间上完全重合，形成一束激光输出。
2►脉冲分割放大
脉冲分割放大（DPA）就是将一个激光脉冲分割成一个子脉冲序列，脉冲时序上彼此分离、互不影响，再经同一放大器进行放大，最后将脉冲序列重新合成为一个激光脉冲，从而提高输出脉冲的峰值功率，如图1（b）所示。
和空间相干合成一样，脉冲分割放大也需要对相位、光程、倾斜等光学参量进行精密控制。脉冲分割/合成是DPA的关键，主要方法有双折射晶体组、分束延迟和相位调制等，如图2所示。
图2 脉冲分割/合成的主要方法
图中，箭头表示脉冲的偏振方向，根据光路可逆原理，从左向右为脉冲分割，从右向左为脉冲合成。
（1）双折射晶体组：调节半波片（HWP）使脉冲激光的偏振方向与双折射晶体的光轴（OA）成45°，激光在双折射晶体中传输时由于沿快慢轴方向的传输速率不同，p光和s光发生错位而被分割为两个脉冲。
（2）分束延迟：入射激光被偏振分光镜（PBS）分为强度相等的p光（透射光）和s光（反射光）。s光经过一段空间延迟后，再通过PBS与p光在空间上合为一束，此时p光和s光在时间上发生错位而被分割为两个脉冲。
（3）相位调制：利用相位调制器对两束脉冲激光的相位进行调制，采用反射镜（M）和四分之一波片（QWP）实现光程差匹配，两路激光通过PBS在空间上合为一束，能够利用更加紧凑的光路达到与分束延迟相同的脉冲分割效果。
3►脉冲堆叠
脉冲堆叠一般是利用环形增强腔将多个脉冲叠加为一个脉冲。用于脉冲堆叠的环形腔主要有吉莱 - 图努瓦干涉仪共振腔（GTI）和“堆叠 -导出腔”（SnD，全称stack-and-dump）两种，如图3所示。
图3 脉冲堆叠的主要方法
（1）GTI腔：腔体由一块分光镜和多块全反镜组成，脉冲序列通过分光镜进入环形腔内。前一个脉冲在腔内传输一圈后正好在分光镜处与下一入射的脉冲相遇，在输出GTI腔的方向上相干相消，在输入GTI腔的方向上相干相长，能量堆积到腔内。当脉冲串最后一个脉冲与前面堆叠的脉冲在分光镜相遇时，正好在输出GTI腔的方向上相干相长，脉冲序列合成为一个脉冲并输出腔外。
（2）SnD腔：腔体由一块耦合镜和多块全反镜组成，脉冲序列通过耦合镜进入环形腔内。上一个脉冲与下一个脉冲在耦合镜处相遇，每一次均在腔内传输方向上发生相干相长。腔内包含一个变换器件（Switch），脉冲序列在能量堆叠过程中是透光的，完成脉冲序列脉冲堆叠后的一瞬间，该器件使脉冲的激光的传输方向发生改变，能量被导出腔外。
代表性成果
超短激光脉冲相干合成是目前激光技术领域的研究热点[2 3]。开展相关研究的单位有德国耶拿大学、法国Thales公司、巴黎南大学、美国密西根大学、中弗罗里达大学、劳伦斯伯克利国家实验室，以及国内中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院物理研究所、中国工程物理研究院、天津大学、上海理工大学、华东师范大学和国防科技大学等。其中，德国耶拿大学的研究最具有代表性。
在平均功率提升方面，德国耶拿大学采用空间相干合成技术实现了10.4 kW的平均功率输出。系统结构如图4所示，种子激光经过脉冲展宽、波形控制和预放大后，用分光镜分为12束，每一路激光由一路单独的放大器进行功率放大后，再由分光镜合为一束。利用分光镜对合成光束进行采样，分别作为相位、光程和倾斜控制的反馈信号。经光栅压缩脉宽后，获得了平均功率10.4 kW、脉冲宽度254 fs、重复频率80 MHz、光束质量M2≤1.2的脉冲激光。
图4 基于空间相干合成的10.4 kW超短脉冲激光系统结构图[4]
在脉冲能量提升方面，德国耶拿大学综合采用空间相干合成和脉冲分割放大技术，实现了96个脉冲的相干合成。系统结构如图5所示，利用声光调制器（AOM）对重频80 MHz的种子激光进行斩波，获得包含8个脉冲、重频几十到几百kHz的脉冲串。首先采用与图4相似的方案实现12路激光的空间相干合成，再利用脉冲分割放大技术将8个脉冲合为1个脉冲。脉冲分割和合成分别采用相位调制和分束延迟的方法。
图5 基于空间相干合成和脉冲分割放大的23 mJ超短脉冲激光系统结构图[5]
脉冲合成装置（Temporal combination stage）由3个延迟光路（DL）和若干个薄膜偏振片（TFP）组成。延迟线长度分别为3.75 m、7.5 m、15 m，分别对应80 MHz、40 MHz和20 MHz重复频率。采用该方法，获得了脉冲能量23 mJ、重复频率25 kHz、脉冲宽度235 fs的脉冲激光。
发展展望
相干合成技术的诞生与激光器的发明几乎同步，取得了10.4 kW超快光纤激光相干合成和百路大阵元数目光纤激光相干合成为典型代表的标志性成果，并在激光变频、激光导星和激光雷达等领域获得成功应用[6]。不同类型激光器的技术进步为相干合成提供了新的可合成光源，同时也可以运用相干合成技术来突破其亮度提升的瓶颈。
在激光粒子加速等重大应用需求的牵引下，相干合成还将继续朝着更多路数、更高功率的方向发展，大数目多参量控制、高效光束合成等关键技术也有待进一步突破。人工智能等新技术的飞速进步使得大数目、多参量的误差识别与控制成为可能，也将助推相干合成技术不断挑战激光的亮度极限。
参考文献
1. Leemans W，Esarey E. Laser-driven plasmawave electron accelerators[J]. Phys. Today， 2009， 62 (3): 44.
2. 粟荣涛，周朴，张鹏飞，等 . 超短脉冲光纤激光相 干 合 成 [J]. 红 外 与 激 光 工 程，2018，46 (1): 0103001.
3. 王井上，张瑶，王军利，等 . 飞秒光纤激光相干合成技术最新进展 [J]. 物理学报， 2021， 70 (3): 034206.
4. Ller M M U，Aleshire C，Klenke A，et al. 10. 4 kW coherently combined ultrafast fiber laser[J]. Opt. Lett.，2020，45 (11): 3083-3086.
5. Stark H，Buldt J，Ller M M U，et al . 23 mJ high-power fiber CPA system using electro-optically controlled divided-pulse amplification[J]. Opt. Lett.，2019，44 (22): 5529--5532.
6. 周朴，粟荣涛，马阎星，等 . 激光相干合成的研究进展 : 2011-2020[J]. 中国激光，2021，48 (4): 0401003.
作者简介
粟荣涛：国防科技大学前沿交叉学科学院副研究员，主要研究方向为光纤激光、光束合成等。
李灿：国防科技大学前沿交叉学科学院副研究员，主要研究方向为光纤激光技术。
马鹏飞：国防科技大学前沿交叉学科学院副研究员，主要研究方向为光纤激光、光束合成等。
马阎星：国防科技大学前沿交叉学科学院副研究员，主要研究方向为光纤激光、光束合成等。
周朴：国防科技大学前沿交叉学科学院研究员，主要研究方向为光纤激光、光束合成等。
