自1960年激光问世以来，激光器的应用遍布各行各业。其中，超短超强脉冲在工业加工、量子材料和强场物理等领域发挥着独特的作用。在各类激光器中，激光放大级通常用于实现高能量输出。为了克服固体单通放大增益低（通常小于1 dB）的不足，再生放大（或多通放大）技术随之兴起。
再生放大技术利用光开光将脉冲“困”在腔内，脉冲多次通过增益介质后再被光开关从腔内“释放”，输出能量可以超过毫焦量级。另外，与固体放大器并行发展的光纤放大器因优异的散热性能，输出平均功率远超固体激光器。较长的增益介质允许其具有较高的单通增益（约20 dB）。然而，长相互作用距离积累大量的非线性相位，限制了小芯径光纤放大器的输出脉冲能量（通常<10 μJ）。
为了提升输出脉冲的能量，多模光纤被广泛用于光纤放大器中，其较大的芯径可降低非线性相位积累，但是多模传输导致输出光束质量和脉冲质量较差；此外，多模光纤较大的增益区域使得放大自发辐射（ASE）显著高于单模光纤放大器，限制了其在小信号放大中的应用。最近，来自Cornell大学的Frank Wise课题组搭建了基于多模光纤的再生放大器，在有效抑制ASE的同时，通过调节再生腔内不同模式的反馈，基模信号经过多次循环之后不断增强，高阶模式不断减弱，最终输出接近变换极限和衍射极限的高质量脉冲光束。
图1 基于多模光纤的再生放大装置图[1]
实验装置如图1所示，种子脉冲能量为0.1 nJ，中心波长为1035 nm。体布拉格光栅展宽脉冲后进入由PBS、1/2波片和法拉第旋光器组成的环形器。再生腔位于环形器的反射端，由EOM、两端腔镜、多模增益光纤以及一系列光纤耦合器件组成，其中EOM作为光开光控制脉冲出入再生腔。当EOM仅作为透射元件工作时，再生腔与环形器联通，脉冲被允许出入再生腔；当EOM作为1/4波片工作时，再生腔与环形器隔离，腔内脉冲被“困”住，腔外脉冲被阻挡。多模增益光纤（Nufern XLMA-YTF-100/400/480）芯径为100 μm，允许超过200个横模输出，长度为35 cm，端面切角1°，并放置于V型槽内降低耦合损耗。再生腔输出的脉冲从环形器另一端输出，进入同一个体布拉格光栅压缩脉宽，并最终通过光栅对补偿额外的色散，输出高能量超短脉冲。
图2 模拟计算像差对光束质量演化的影响[1]
为了在多模光纤再生放大器中实现高光束质量输出，作者模拟了再生腔内光束的单模成分占比随脉冲在腔内往返次数的变化曲线。当忽略腔内光束传输的像差时，单模占比保持在10%不变。当引入15 μm离焦或5 μm高斯模糊，或两者同时引入时，单模反馈将高于多模反馈，光束多次经过增益光纤后，单模占比显著增加。实验中观察到了类似的现象。在腔内引入一定的像差，脉冲经过6次往返后，光斑质量显著优于只经过一次往返的结果。经过15次往返之后，光斑模式接近于单模，由中间较强的单模和周围微弱的低阶模式背景组成。
图3 实验中光束质量随脉冲往返次数的变化[1]
通过对EOM施加周期性高电压信号，再生腔输出脉冲序列重频为10 kHz，脉冲经过12通（6个来回）放大之后能量从100 pJ提升至55 μJ，增益57 dB。输出脉冲光谱、光斑模式以及FROG还原脉冲形状如图4所示，光谱中心波长为1040 nm。光M2<1.3因子小于1.3，保持着较高的单模能量占比。采用FROG测量脉冲宽度为304 fs，接近光谱对应的变换极限脉宽。
图4 多模光纤再生放大脉冲参数[1]
总之，作者搭建的基于多模光纤的再生放大器，结合多模光纤较强的功率放大能力以及再生腔对放大自发辐射天然的抑制能力，可以实现能量从100 pJ到55 μJ、光束质量M2<1.3、宽度为300 fs的近变换极限脉冲放大结果，为高增益、高能量、高功率以及高光束质量超短脉冲放大提供了新思路。
参考文献：
[1] Henry Haig, Nicholas Bender, Yishai Eisenberg, and Frank Wise, "Single-mode regenerative amplification in multimode fiber," Optica 10, 1417-1420 (2023)
原文标题 : 超快光纤激光技术之四十二 基于多模光纤的再生放大器
