在现代科学研究和工业应用中，高能量、高功率的超快光纤激光系统具有重要的应用价值。为了突破由非线性效应和热效应对光纤激光单脉冲能量和平均功率的限制，科研人员近些年致力于发展时间和空间相干合成技术。
图1：装置图。在时间合成阶段的脉冲被送入各自的光延迟线（DL1，浅绿色；DL2，中绿色；DL3，深绿色），而右侧的脉冲没有得到额外的延迟。CFBGs，啁啾光纤布拉格光栅；FDPS，傅里叶域脉冲整形器；AOM，声光调制器；EOM，电光调制器；MDC，多延迟线单元[1]。
图1为德国耶拿课题组最近发展的高能量、高功率超快光纤激光相干合成系统[1]。系统前端利用两个CFBG展宽脉冲、两个AOM对脉冲进行分次选单，同时对脉冲串的振幅进行整形，以预先补偿增益饱和引起的脉冲串形变。两个EOM允许在两个脉冲串上分别优化各自的的相位。每一个脉冲串有8个脉冲，预放大后的脉冲分成16路分别放大。预放大使用大模场光纤，主放大器为长度105 cm的掺镱棒状光纤，模场直径为62微米。空间合成使用的HC控制压电陶瓷，时间合成使用LOCSET算法控制AOM。
图2：放大前后的脉冲串（左图）与合成后的示波器信号（右图）[1]
输入脉冲串如图2左图所示，种子脉冲的振幅逐渐增加，这样做的目的是主放大器中的反转粒子数会随着脉冲的放大逐渐减少，此时增益也会随之下降。输出脉冲正好相反，以此使得各个脉冲之间的B积分接近，利于最终合成。图2右图为合成后的示波器信号，主脉冲包含总能量的90%。
图3：压缩后单脉冲能量32 mJ时的光谱（左图）与对应的自相关曲线（右图）[1]
该合成系统总的合成效率为77%，压缩后单脉冲能量为32 mJ，这是超快光纤CPA激光系统所报告的最高单脉冲能量。输出光束在保持优秀光束质量的同时，大幅提高了输出脉冲能量。光谱20dB带宽为24 nm，如图3左图所示。图3右图表示此时对应的自相关曲线，无论是测量脉冲还是傅里叶变换极限脉冲，脉冲宽度都是158 fs。
此外，所有的光学延迟线都集成在一个超紧凑的成像多通腔单元中。这种设计不仅大大简化了系统的结构，也提高了系统的稳定性和可靠性。
总的来说，这项工作展示了一种高能量、高功率的超快光纤激光系统，该系统基于空间时间相干合成技术。通过利用128个脉冲放大技术，分别控制16个独立的掺镱棒状光纤放大器，每个放大器放大8个连续的脉冲串。这种设计不仅提高了脉冲能量，而且在最高平均功率下保持了优良的光束质量。得到了目前超快光纤激光器的最高单脉冲能量输出。
参考文献：
[1] Stark, Henning, et al. "Pulses of 32 mJ and 158 fs at 20-kHz repetition rate from a spatiotemporally combined fiber laser system." Optics Letters 48.11 (2023): 3007-3010.3
原文标题 : 超快光纤激光技术之三十八 超快光纤激光相干合成突破32mJ单脉冲能量
