超快光纤激光CPA技术发展全景与前沿展望

一、背景介绍

超快光纤激光在先进制造、生物医疗、高次谐波产生等工业和前沿科学领域具有广泛的应用。啁啾脉冲放大（CPA）技术是获得高功率/高能量超快激光的重要手段。随着包层泵浦技术及大模场面积（LMA）光纤的发展，光纤CPA技术进展迅速，目前已经实现了平均功率千瓦级以及单脉冲能量mJ级的超快激光输出。

尽管CPA技术极大地推动了超快光纤激光的发展，但其性能进一步提升仍面临多重技术瓶颈，脉冲放大过程中的非线性相移累积、模式不稳定效应、系统的色散失配及增益窄化效应等因素对脉冲激光性能优化与保持带来极大挑战。如何突破技术瓶颈，研制更高性能的高功率超快光纤激光放大器是科研人员不断追求的研究目标。国防科技大学周朴研究员、李灿副研究员所在团队针对超快光纤激光的性能提升，系统梳理了光纤CPA技术的研究进展，全面总结了工作在不同波段的空间结构和全光纤结构CPA系统的发展现状，并对超快激光相干合成、窄脉宽飞秒激光技术、噪声以及人工智能赋能CPA技术等前沿方向进行了展望。

二、关键技术进展

根据光纤CPA构成形式的不同，可将其分为空间结构和全光纤结构两大类。

1. 基于空间结构的光纤CPA系统

空间结构多采用光子晶体光纤（PCF）、大孔距光纤（LPF）等特种光纤，该类光纤通常具有特殊的纤芯结构和较大的模场直径，可有效抑制非线性效应。

在1 μm波段，德国耶拿大学课题组早在2010年基于大模场掺镱光纤（EDF）实现了平均功率830 W、脉宽640 fs的高功率CPA系统。功率的进一步提升受限于热效应所引起的横向模式不稳定（TMI）效应。获得的单脉冲能量仅有10.6 μJ。为了降低系统的非线性效应并实现更高能量的超快激光输出，该课题组在2011年采用自主研制的模场直径为105 μm的LPF进一步将光纤CPA系统的单脉冲能量提升到了2.2 mJ。近年来，大模场棒状PCF已实现商业化，并被广泛用于高能量CPA系统。除耶拿大学外，山东大学、清华大学、NKT Photonics公司、北京工业大学、华东师范大学、多伦多大学、维也纳大学等单位也利用棒状PCF开展了CPA技术的相关研究，并实现了毫焦量级单脉冲能量的超快激光输出。

在2 μm波段，一般采用掺铥光纤（TDF）构建高功率激光系统，泵浦源广泛使用波长0.79 μm的商用LD。然而，较高量子亏损所引起的热效应制约着2 μm波段CPA技术的发展。在较高铥离子浓度条件下，基于TDF有的能级结构，采用0.79 μm LD泵浦TDF可实现交叉弛豫过程，有效提高了TDF激光器的转化效率。2018年，耶拿大学课题组采用纤芯/包层直径为50/250 μm的高掺杂PCF，将掺铥光纤CPA系统的平均功率提升到了千瓦量级（实验装置如图1所示），系统的斜效率达到了61%。

图1 平均功率千瓦量级的掺铥光纤CPA系统

2. 基于全光纤结构的CPA系统

大模场棒状PCF由于难以与普通光纤相熔接，信号的准直及耦合需引入大量的空间光学元件，这在一定程度上增加了系统的复杂性，降低了光纤激光器的稳定性。理想的光纤CPA系统应该是器件之间均采用光纤熔接的方式相连接，仅在压缩阶段引入少量的空间元件。然而，常规光纤因模场直径有限，易产生强烈的非线性效应，严重限制了全光纤结构下超快激光性能的进一步提升。此外，不同的增益光纤在能级结构、非线性特性及热效应等方面存在差异，使得不同波段的光纤CPA系统在发展路径与技术挑战上呈现显著区别。

在1 μm波段，目前商用光纤的纤芯直径一般在30 μm以下，这也成为早期全光纤超快激光系统的主要选择。2013年，美国PolarOnyx公司基于纤芯/包层直径为30/400 μm的YDF实现了压缩前功率为1052 W的全光纤CPA系统，作者分出了3.4%的功率进行了压缩。此后，国防科技大学、北京工业大学及清华大学等单位，均采用纤芯/包层直径为30/250 μm的YDF开展了全光纤CPA技术的相关研究，但受限于TMI效应导致的光束质量退化，平均输出功率限制在300 W以内。2023年，国防科技大学课题组通过级联CFBG的方式将种子信号展宽至2 ns，显著降低了放大过程中的峰值功率和非线性效应，将全光纤超快激光的平均功率提升至440.6 W，实验装置如图2所示。此外，缩短光纤长度也可有效降低非线性效应。美国Raydiance公司和俄罗斯等单位采用自行设计的高掺杂YDF均实现了单脉冲能量>60 μJ的超快激光输出。

图2 高功率全光纤CPA系统

以上介绍的全光纤CPA系统一般工作在数kHz到数十MHz的频率范围内。近年来，科研人员开始关注更高重复频率的光纤CPA技术。2025年，华南理工大学采用重复频率为1.39 GHz的种子源，实现了压缩前输出功率达2001 W的全光纤CPA系统。

在1.5 μm全光纤CPA系统方面，近年来的发展较为缓慢。铒离子因团簇效应而难以实现高浓度掺杂，且其吸收截面小，严重制约了高功率输出。在EDF中掺杂镱离子作为激活剂可实现高浓度掺杂并通过能量转移效应提高泵浦转换效率，故而铒镱共掺光纤（EYDF）成为了1.5 μm波段高功率激光的主流选择。2022年，山东大学课题组采用纤芯/包层直径为25/300 μm的EYDF实现了中心波长1560 nm、脉宽474 fs、平均功率13.2 W的超快激光输出。2023年，俄罗斯普通物理研究所通过在主放大器中级联EDF和EYDF来提高系统转换效率，将1.5 μm波段全光纤CPA系统的单脉冲能量提高到了10 μJ量级。

在2 μm全光纤CPA系统方面，汉诺威激光中心、佛罗里达大学、PolarOnyx公司、北京工业大学、南安普顿大学等单位均开展过相关研究，受限于较低的转化效率和强非线性效应，获得的平均功率与PCF相比还有较大差距，一般限制在50 W以下。2023年，国防科技大学课题组实现了基于TDF的百瓦级全光纤CPA系统（实验装置如图3所示）。通过实施高效的热管理并优化光纤盘绕直径以增强交叉弛豫过程，该系统在压缩前获得了314 W的平均输出功率。

图3 基于TDF的百瓦级全光纤CPA系统

三、发展趋势

1. 超快光纤激光相干合成

超快光纤激光相干合成技术是突破单路激光功率和能量瓶颈的有效技术手段。采用填充孔径相干合成技术，已经分别实现了平均功率10.8 kW和单脉冲能量32 mJ的飞秒激光输出。采用平铺孔径相干合成技术，基于61路超快光纤激光放大器，也分别实现了平均功率1.5 kW和单脉冲能量1 mJ的飞秒激光输出。未来，通过优化单路光源的特性和进一步拓展合成的路数，有望将超快激光的性能推上新的高度。

2. 窄脉宽飞秒激光技术

图4汇总了空间结构与全光纤结构两类高功率、高能量光纤CPA系统的典型输出脉宽结果，光纤CPA系统难以稳定产生200 fs以下的脉冲，该现象主要源于放大过程中存在的增益窄化效应、非线性相移累积以及高阶色散失配等因素。2023年，美国IMRA公司通过光谱预整形和高阶色散调控，实现了脉宽为92 fs、单脉冲能量为10 μJ的光纤CPA系统。德国耶拿大学在超快光纤激光相干合成系统中也广泛采用脉冲整形技术，并实现了平均功率1 kW、单脉冲能量10 mJ和脉冲宽度120 fs的超快激光输出。除此之外，采用相干光谱合成及非线性压缩等技术手段，也能实现窄脉宽飞秒激光输出。未来，通过综合运用以上技术手段，有望实现系统性能的协同提升。

图4 光纤CPA系统输出脉冲宽度典型结果。（a）高功率CPA系统的脉冲宽度；（b）高能量CPA系统的脉冲宽度

3. 低噪声飞秒激光技术

随着光纤CPA技术在精密测量、高次谐波产生、阿秒科学等领域的深入应用，输出激光的噪声特性已成为决定系统性能的关键指标之一。近年来，光纤光频梳作为低噪声种子源显示出独特优势，其具备优异的相位锁定能力和低时序抖动，为低噪声放大提供了理想光源。耶拿大学课题组通过相干合成技术已实现了平均功率>1 kW且载波包络相位稳定的光纤光频梳。未来，还需进一步深入研究光纤CPA系统中噪声的产生、传递与耦合机制，发展多参数协同反馈控制策略，实现对强度、相位及偏振等多个维度的噪声同步抑制，有望终实现兼具高功率/能量与高稳定性的飞秒激光输出。

4. 人工智能赋能CPA系统

近年来，人工智能技术（AI）的快速发展，为激光技术注入了新的活力。将AI引入光纤CPA系统，有望进一步推动超快光纤激光放大器性能的突破。首先，可将AI应用于光纤的辅助设计。例如，基于不同的神经网络模型，研究人员实现了在毫秒量级内对PCF的非线性系数、色散、折射率等参数的快速预测，预测速度较传统数值计算方法快三个数量级以上，并有望实现PCF的逆向设计。其次，可将AI应用于光纤CPA系统的性能优化。例如，通过引入AI技术，可快速调节种子信号的光谱强度与相位分布，从而实现更优的脉冲整形效果。此外，在超快光纤激光相干合成方面，AI技术有望突破传统主动相位控制方法的控制带宽随阵列单元数量增加而下降的难题，并能实现对系统的相位、延迟、偏振、光束指向等多参数的快速调控。

四、总结与展望

随着CPA技术的快速发展，超快光纤激光已在平均功率、单脉冲能量和峰值功率等方面取得了显著突破。未来，随着超快激光应用领域的不断拓展，对窄脉宽、低噪声、高稳定性的超快光源需求日益增长，将推动着超快激光的性能参数不断精雕细琢；与此同时，将AI与光纤CPA技术相结合有望进一步提升系统性能，推动超快激光系统向智能化方向发展。可以预见，随着新技术、新理念、新器件的不断提出与进步，将为光纤CPA技术的发展带来新的机遇，推动超快光纤激光在精密制造、生物医学、强场物理以及一些特种领域发挥更为重要的作用。

参考文献： 中国光学期刊网

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