超快光纤激光器关键技术之一：多光束相干合成

在过去几年中，由于受到热致模式不稳定性和非线性效应的影响，单一光纤放大器所能产生的平均功率、脉冲能量和峰值功率等性能指标，已经遇到难以克服的瓶颈。解决该问题的有效途径是利用多路光纤放大器分别放大超快脉冲，之后进行多光束相干合成，该技术有望显著提高超快光纤激光的性能参数(如高重复速率下的焦耳级脉冲能量)，进一步拓展其更广泛的应用（比如应用于强场物理、激光粒子加速等)。

德国Jena课题组是该技术的开拓者。他们在2017年报道了利用集成化程度比较高的16个分离的光纤放大通道对光束进行放大再合束 [1]，实验装置如图1所示。在主放大器之前，通过脉冲展宽器将脉冲展宽并用空间光调制器调节其相位，随后又经过3个PM980光纤、两个声光耦合器、2级模场直径分别为42μm及56μm的大轴距光纤进行了预放大，得到了50w左右的功率。在该工作中，主放大器增益光纤为大模场面积棒状光纤。空间合成系统在分束时是用偏振分光器和半波片把光束先分为上下两束再进一步把上下的光束各分成并列的八束。为了提高合成效率和光束品质，该系统利用半波片及四分之一波片对非线性偏振旋转进行补偿；每个通道均有压电驱动的反射镜，用于稳定每路的相位。最终通过集成的布儒斯特型薄膜偏振器完成合束后，再利用Treacy型光栅压缩器对脉冲进行压缩。

图1 基于16个单一光纤放大器的多路相干合成掺镱超快光纤激光系统

在合束结果方面，空间合成系统最终的总功率为1830w，合束效率为82％，光谱宽度10.2nm（图2左），脉冲宽度为234fs（图2右），其变换极限脉宽为200fs。未进行最终合束的上下两层光束功率均为1kw左右，上下两层的合束效率分别为95％和91％，光束的质量因子均为1.3。

图2 合束后光谱（左）和自相关曲线（右）

光束为偏椭圆形的高斯光束（图3左），光束的质量因子大约为3，质量较差，主要来源于用于合束的偏振器的热效应（图3右）。将来可以通过将该偏振器换成具有低吸收镀膜的薄膜偏振器，避免热透镜效应；另一个可改进之处是将最后的透镜式telescope换成mirror telescope。通过这两项改进，可以提高光束质量，有望获得2kw功率、合束效率90％且光束质量因子小于1.3的高能量飞秒脉冲。

图3 空间合成后的光束（左）和展示了热透镜效应的TFP热成像图（右）

为了进一步小型化该系统，Jena课题组对上述方案进行了重大改进，改进后的系统如图4所示 [2]。

图4 基于集成器件的16通道相干合成掺镱超快光纤激光系统

该系统放大的主体部分是多纤芯的掺镱光纤(如图5所示），集成化程度更高，显著降低了系统的复杂程度。

图5 16纤芯光纤端面示意图

(a)光纤端面 (b)放大的自发辐射 (c)放大信号输出

该系统使用两组分段镜面分束器将一束入射光在空间上分成16个光束。这种分束器由一块高反镜以及一个包含并排的四种不同反射率区域的镜面组成，反射率分别为0、50％、66％、75％，把初始光束分为4×4的矩阵，再用偏振分光器或4焦距系统来调节光束矩阵的间距，送到多纤芯光纤的端面。

多纤芯光纤合成系统则将光束通过了一个4×4的压电调控镜面矩阵来维持相位稳定（图6），借由镜面反射过程中发生的光束水平竖直方向翻转减小了在最后telescope处的球差。镜面矩阵之前放置了透镜矩阵，把镜面安装时微小的倾斜转化为横向的光束偏移，从而减小光束矩阵的畸变。之后，利用四分之一波片调节光束的偏振。为避免各个通道之间存在热耦合，该课题组优化了纤芯直径以及各纤芯之间的间距。整个系统为filled-aperture结构，有利于提高合束效率。

图6 用于相位调节反馈的信号光束（未良好干涉光束，多为高阶模光束）

经过多纤芯光纤放大后的光束又一次经过两级分段镜面，从而把16束光合束，其光束质量因子小于1.2（图7左），可以获得近衍射极限大小的光斑（图7右）。 

图7 多纤芯光纤系统光束M²测量（左）和合成后光束（右）

目前基于多纤芯光纤的合成系统还处于发展初期，Jena课题组只是进行了原理验证。在该实验中，系统平均功率仅有70w功率，脉宽为40ps，合束效率为80％。多纤芯光纤合成系统的进一步研究，依赖于提高多纤芯光纤的制造工艺，使得纤芯矩阵排列更均匀，同时减小高阶模传输带来的损耗，并避免不同纤芯间的模式耦合。增加多纤芯光纤的纤芯数量也有利于进一步提高功率，但也要仔细研究如何对该种光纤进行热量管理。

参考文献：

[1] M. Mueller, A. Klenke, H. Stark, J. Buldt, T. Gottschall, J. Limpert, and A. Tünnermann, "16 Channel Coherently-Combined Ultrafast Fiber Laser," in Laser Congress 2017 (ASSL, LAC), OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2017), paper AW4A.3.

[2] A. Klenke, M. Müller, H. Stark, F. Stutzki, C. Hupel, T. Schreiber, A. Tünnermann, and J. Limpert, "Coherently combined 16-channel multicore fiber laser system," Opt. Lett. 43, 1519-1522 (2018)

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