如何提高激光脉冲的功率,目前全球有这几大技术方案

张志刚 北京大学

1960年代中期,调Q和锁模技术的相继发明,使激光脉冲的功率有了较快的发展,但很快就到了一个平台期。一直到1980年代末期,啁啾脉冲放大技术的出现,使激光脉冲功率结束了二十余年的平台期,再次经历了飞速发展。在脉宽不能继续缩短的情况下,提供脉冲能量成为了一个关键。但是现在,脉冲能量似乎又停滞在一个平台上,迫切需要新技术,来触发一场新的激光革命。

本文旨在简要说明各种提高飞秒激光脉冲能量和平均功率的技术,试图使读者对各种新技术有个基本的了解和判断。

脉冲相干合成——这么多方案,很纠结

1.以钛宝石为代表的固体飞秒激光器——难以兼顾高能量与高重复频率

以钛宝石激光器为代表的固体激光器能产生非常高的峰值功率,但是重复频率普遍很低。例如美国伯克利激光加速器BELLA系统的钛宝石激光器、我国上海光学精密机械研究所研制的大口径激光系统,就连最近捷克HiLASE宣布建成平均功率1 kW的碟片超级激光器,也难逃厄运:脉冲能量高达100 J,但脉宽为1.3 ps,重复频率仅为10 Hz。

提高重复频率,受限于放大介质中的热-光效应,例如热透镜和热致双折射等。改变激光介质的形状,例如碟片激光放大器,能部分地解决问题,但目前脉冲能量和脉宽还不能
与钛宝石激光器相比。提高脉冲能量和重复频率的努力仍在持续进行中。
 

2.光纤激光空间合束——“扬短避长”,又倒退回CPA之前?

与固体激光器平行发展的是光纤激光器。但在啁啾脉冲光纤激光放大器中,受光纤芯径和由此带来的非线性效应限制,峰值功率也只有GW,已经接近极限。

直观的解决方案是空间合束,即将脉冲分成若干路光纤分别放大再合成一路。这种技术最早用于连续激光,最近几年扩展到飞秒脉冲激光。

但是如何将上万根光纤的合束,每个光纤的相位且都需要同步,技术上可行吗?实现起来虽然复杂,也不是不可能。

啁啾脉冲放大(CPA)技术的发明者G. Mourou 教授目前实验上刚刚录得8根光纤合束为1 kW,1 mJ。我国国防科技大学也通过光纤合束得到313 W 的平均功率、827 fs的脉冲。

仔细想想,靠增加光纤的数目来提高脉冲能量,除了比固体激光器散热好一些,与仅靠扩大放大介质的面积来增加功率耐受度有什么区别?这是不是又回到了CPA之前?唉,这个CPA 的开创者,怎么走了回头路?

图1 光纤相干合束概念图。①种子源激光器;②脉冲展宽;③分束;④多级放大;⑤合束和脉冲压缩;⑥聚焦;⑦>10J, ?10kHz 脉冲

3.时域分割放大——翻饼烙饼来回折腾

啁啾脉冲放大的概念是什么?就是把脉冲在时域展宽,再放大,然后再压缩回去。可传统的展宽器,最多也只能把脉冲展宽到1ns。所以光纤也好固体也好,都承受不了高峰值功率。能不能想个别的办法展宽呢?有人说,把一个脉冲在时域上切成几个脉冲,不就相当于在时域展宽了吗?于是就有了脉冲分割放大(图2)。

图2 时间分割——等效于脉冲展宽

为解决这个矛盾,有人提出先利用多次偏振分光将脉冲在时域分割,经过时间延迟,将重复频率倍增,耦合入一根光纤放大到高平均功率后,再次将脉冲分光、延时补偿,使之合成为一个脉冲。这个技术称为分割脉冲放大。

这个技术要经过放大前和放大后两次偏振分光,两套延迟控制和补偿光路,非常复杂。而且,这种利用偏振分割和合成的脉冲的数目非常有限。时间分割和空间合束结合起来也许是解决之道。

4.光谱分割放大——背着抱着一边沉

还有一种叫光谱放大合成方法。将脉冲的光谱分割,分别放大,再合成在一起。这里致命的问题是,分割后光谱变窄,而这样窄的光谱恰恰是啁啾脉冲展宽的大敌!例如原来40 nm的光谱可以展宽至500 ps,现在分割到1/12,每段光谱就只能展宽成500 ps的1/12了!每根光纤(这里是每个芯)对应的峰值功率还是一样的,仍然受非线性效应的限制。结果,虽然是分割放大,却是个零的游戏——没有一个分量的脉冲能量可以放大到超过合起来放大的脉冲能量的1/12!

图3 光谱分割相干合成技术示意图

5. 衍射光学合成——顾此失彼

这里还穿插着另外一种空间合成方法,叫衍射合成。设想将入射光按不同的级次的角度入射到光栅上,使其集中到零级光上。要想得到多级衍射,就得用光栅密度低的;而低密度光栅的衍射效率就会低,因为不可能只有一级衍射;为提高效率,很容易想到闪耀光栅;可要是对这么多级次都闪耀,还叫闪耀光栅吗?同时,能合成的光束数目也非常有限。

6.相干脉冲堆积——终极的选择?

脉冲分割放大合成,是靠偏振分割,毕竟数目有限,而且分合都需要偏振和时间延迟控制。如果把脉冲列看成已经分割好的脉冲,直接把脉冲在时域合成,就像图4那样,可以吗?

 

图4 脉冲时间堆积概念

人们首先想到的就是腔增强技术。腔增强时域脉冲合束不需要脉冲分割,不需要偏振控制,直接将脉冲列中大量脉冲在腔内叠加在一起,因此也称相干脉冲堆积放大技术。相干脉冲堆积腔的腔型可分为两种:高Q值腔(高精细度腔)和低Q值腔(低精细度腔)。区别是输入耦合镜的反射率和堆积后的脉冲从腔内的导出方式。

图5 高Q值腔相干脉冲堆积-腔倒空 (SnD) 技术示意图。frep 是入射脉冲的重复频率;fswitch 是腔内开关的重复频率。HR:高反射镜。

Q值腔的脉冲腔内增强堆积放大技术见图5:入射耦合镜的反射率在99%以上。将脉冲序列连续注入与脉冲时间间隔相等的谐振腔,脉冲被局限在腔内相干堆积,达到饱和后,通过高速光开关将腔内脉冲倒空(注意不是从入射端镜输出)。此技术称为堆积和腔倒空(SnD)技术。模拟表明在高Q值腔可堆积600多个脉冲。如果导出效率能达到80%,相当于500倍的增强。低Q值腔内堆积放大技术中,入射耦合镜的反射率很低,在40%上下。脉冲的耦合入腔和导出都利用干涉效应,所以又称“GT”干涉仪。
 

图6 低Q值GT腔相干脉冲堆积器工作原理图。为了显示清楚,用斜入射两镜腔表示。入射的脉冲列中每个脉冲和位相是调制的,脉冲3、2、1 从腔内出射的光相继被位相相反的反射光干涉相消,因而在腔内“堆积”;最后一个入射脉冲与腔内堆积脉冲同位相,因此被导出。最先入射的脉冲3在GT表面的反射没有脉冲与其相消,留在输出的脉冲列中,在总的脉冲能量中占比不大。

 

结论——梦想终将实现

为了飞秒脉冲能量和平均功率的进一步提高,人们在不断推出新的技术。在众多的新技术中,也许相干脉冲堆积技术与其他分束合成技术的结合,有希望将脉冲能量和平均功率提高几个数量级。图7是焦耳量级脉冲的装置构想。高重复频率光纤激光器输出的脉冲,经过展宽和振幅位相调制,在空间分成若干路放大,然后空间合束。最后是脉冲的时域堆积和脉冲压缩。注意这里不同于Mourou先生的空间分割放大合束概念的是,放大器中的光脉冲是高重复频率的,而不是几十kHz。也不同于Jena大学SnD,其方案是在倒空后空间合束。

图7 焦耳量级飞秒光纤激光产生装置

还有一种方案,仍是在高重复频率激光器基础上,把脉冲进行偏振和相位调制,再用偏振合成,但文章篇幅有限,在这里不作细说,感兴趣的同仁可以查询相关资料。

本文摘编自张志刚发表于《激光与光电子学进展》201754(12)期的“相干脉冲堆积——超越啁啾脉冲放大的新技术”。