面向高合成性能的光谱相干合成关键技术研究及其在飞秒光纤激光系统中的应用

《High Power Laser Science and Engineering》：Basic considerations on spectral coherent combining for high combining performance

本文推荐光谱相干合成(SCC)技术用于解决高功率飞秒光纤激光系统中非线性效应、增益窄化及合成效率低的问题。研究人员通过系统分析入射光谱与合束器过渡区对合成过程的影响，优化关键参数，实现了96.9%的合成效率与42-fs高质量脉冲输出，为多光谱光束的高性能合成提供了设计准则。

　　

在追求更高功率和更短脉冲的激光技术前沿，飞秒光纤激光器因其优异的光束质量、高稳定性和紧凑结构备受青睐。然而，当科学家们试图进一步提升其性能时，却遇到了两大“拦路虎”：一是光纤中漫长的传输距离和有限的纤芯直径会加剧非线性效应，导致脉冲质量劣化；二是Yb(镱)掺杂光纤放大器固有的增益窄化效应，使得输出脉冲宽度通常难以压缩到200飞秒以下，限制了其在诸如高次谐波产生、太赫兹辐射等需要极短脉冲应用中的潜力。为了克服这些挑战，研究人员尝试了多种方法，例如采用啁啾脉冲放大技术来提升能量，或利用空间光调制器进行光谱整形以对抗增益窄化，甚至发展非线性脉冲压缩技术来产生少周期脉冲。然而，这些方法或效率不高，或系统复杂，或会引入脉冲基座，难以在获得高合成效率的同时保证高质量的脉冲输出。光谱相干合成技术应运而生，它通过将覆盖不同光谱区域的多路光束进行相干合成，理论上既能拓宽合成后的光谱从而压缩脉冲，又能通过功率合成提升总输出功率。但此前的研究表明，在基于SCC的光纤飞秒激光系统中，合成效率往往低于90%，且高效率与短脉冲、高质量难以兼得。那么，能否找到一条路径，同时实现高合成效率和高脉冲质量呢？这正是发表于《High Power Laser Science and Engineering》上的这项研究旨在回答的核心问题。

为了开展研究，作者团队主要运用了数值模拟与实验验证相结合的方法。首先，他们建立了详细的数学模型，深入分析了光谱相干合成的物理过程，重点考察了入射光束的光谱特性（如中心波长间隔、光谱带宽）以及合束器（以长通二向色镜为例）的过渡区域特性（包括起始波长和过渡宽度）对合成效率和合成脉冲质量的影响。其次，基于模拟结果的理论指导，他们搭建了一套双通道光谱相干合成实验系统。该系统核心包括一个产生宽带种子的飞秒光纤激光器、将种子光按光谱分割并引入主动相位控制的路径、两个采用不同增益光纤（锥形双包层光纤）的主放大器单元、独立的脉冲压缩光栅对，以及最终进行光谱合成的二向色镜和用于实时相位锁定的单探测器电子频率标记技术。

II. 数值模拟

研究人员首先对SCC过程进行了理论分析。他们指出，使用长通二向色镜作为合束器时，要实现每个波长成分的完美合成，入射光束的光谱功率之比需要与合束器在该波长处的分光比相匹配。这表明，入射光谱和合束器的过渡区域共同决定了合成效果。随后的模拟结果揭示了几个关键发现：

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  入射光谱的影响：当两个变换极限高斯脉冲的中心波长间隔减小（即光谱重叠范围增加）时，合成光谱会变宽，但光谱间隙变浅，这有助于改善合成脉冲的质量（表现为主峰能量比提升），但会牺牲脉冲的缩短效果。反之，减少光谱重叠可以合成更短的脉冲，但脉冲质量会下降，出现明显的旁瓣。此外，若入射脉冲本身较短（即光谱较宽），则SCC对光谱的展宽效果会减弱。
  
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  合束器过渡区域的影响：合束器的起始波长对合成效率有显著影响，存在一个最优值使效率最高。偏离此最优值会导致合成效率下降和脉冲质量（用均方根脉宽衡量）劣化。过渡宽度在一定范围内变化时，高效率（>98%）仍可维持，但过窄的过渡宽度会因光谱间隙而略微降低脉冲质量。模拟还表明，当两束光的光谱重叠较少时，对合束器过渡宽度和起始波长的要求相对宽松，更容易获得高效率。
  
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  光谱相位失配的影响：与填充孔径合成技术相比，SCC对光束间的光谱相位失配（包括零阶相位、延时、群延迟色散和三阶色散）敏感度较低。这意味着SCC能更宽松地容忍相位误差，降低了对主动控制技术的要求。

III. 实验与结果

在模拟结果的指导下，研究团队搭建了一个双通道SCC实验系统。两个放大通道采用了不同的Yb掺杂锥形双包层光纤作为增益介质，通过优化泵浦功率、输入能量和初始啁啾，使每个通道在压缩后都能输出接近变换极限的脉冲（脉宽分别为70 fs和73 fs）。两路输出光谱在1042-1060 nm波长范围内存在重叠，以确保相位锁定和合成脉冲质量。

实验中，他们发现合成效率和合成脉冲宽度对两路光之间的延时敏感。通过精细调节合束器（二向色镜）的起始波长（通过改变入射角实现）并比较不同过渡宽度的合束器，最终使用过渡宽度为20 nm的合束器，成功实现了96.9%的极高合成效率，并获得了高质量的42-fs脉冲，其自相关轨迹显示脉冲质量显著优于使用窄过渡宽度合束器的情况。

IV. 结论

本研究对基于二向色镜的光谱相干合成系统进行了深入细致的研究。数值模拟揭示了入射光谱和合束器过渡区域对合成性能的关键影响，并指出通过优化光谱重叠范围、合束器的起始波长和过渡宽度，可以实现高效率与高质量脉冲的兼得。此外，SCC对光谱相位失配相对不敏感的特性降低了系统控制的难度。基于这些认识，研究人员通过实验成功演示了一个双通道SCC飞秒激光系统，实现了96.9%的创纪录高合成效率和42-fs的高质量脉冲输出。这项工作不仅为在光纤飞秒激光器中同时实现高合成效率和高脉冲质量提供了可行的解决方案，也为未来设计覆盖不同光谱区域的高性能光束合成系统提供了重要的理论依据和实践指南。其成功实践标志着光谱相干合成技术在迈向实用化、高性能化道路上迈出了关键一步。