北京時(shí)間10月2日下午，瑞典皇家科學(xué)院公布了2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，由來自于美國(guó)的Arthur Ashkin，法國(guó)的Gerard Mourou和他的學(xué)生、 加拿大的Donna Strickland女士三位物理學(xué)家分享了這今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金。本次獎(jiǎng)項(xiàng)的50%授予Arthur Ashkin的“光鑷及其在生物系統(tǒng)中的應(yīng)用”，另一半授予Gerard Mourou和Donna Strickland的“啁啾脈沖放大技術(shù)(Chirped Pulse Amplification，CPA)，用于生成高強(qiáng)度的超短脈沖激光的方法”。這一讓所有超快激光研究人員振奮的新聞，把啁啾脈沖放大這個(gè)讀起來有點(diǎn)繞口甚至有些人都不會(huì)念的專業(yè)術(shù)語(yǔ)放大到了公眾面前。在諾獎(jiǎng)委員會(huì)的官方新聞稿里，他們是如下描述CPA技術(shù)的：

對(duì)于激光放大器來講，在激光材料損傷閾值和非線性效應(yīng)如自聚焦等其他物理因素的限制下，放大器對(duì)于可達(dá)到的激光脈沖峰值功率有一個(gè)上限，使用傳統(tǒng)對(duì)種子脈沖直接放大的方法無法突破這個(gè)物理限制。因此Mourou他們提出了一個(gè)方法：先在時(shí)域上展寬需要放大的脈沖（一般是通過延時(shí)線，Dispersion delay line），在單脈沖能量不變的情況下降低峰值功率；然后再對(duì)展寬后的脈沖進(jìn)行放大，這樣在放大到同樣峰值功率時(shí)，由于脈寬的展寬，能得到的單脈沖能量就更大，最后時(shí)域壓縮脈沖（一般通過相反色散量的延時(shí)線），就可以獲得更高峰值功率的脈沖。

　　如果只是像上述那樣定性地解釋CPA技術(shù)的話，即使是非專業(yè)人士也能讀懂，甚至覺得的很簡(jiǎn)單，有些人就會(huì)問類似的問題：“為什么普通調(diào)Q或者M(jìn)OPA脈沖光纖激光器不能通過CPA技術(shù)放大到更高能量呢？”想要回答這個(gè)問題，就必須對(duì)CPA技術(shù)的物理原理和飛秒光纖激光器背后的物理做一番解釋了，而且想要研發(fā)飛秒光纖激光器的話，必須對(duì)飛秒光纖激光器中的物理原理需要理解非常清楚才行，不然設(shè)計(jì)出來的激光器可能就會(huì)有問題。借諾貝爾獎(jiǎng)的東風(fēng)，作者結(jié)合自己的學(xué)術(shù)研究方向，和在武漢華銳超快光纖公司從事高功率飛秒光纖激光器的研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，從鎖模原理出發(fā)，結(jié)合CPA技術(shù)，與大家簡(jiǎn)要討論一下飛秒光纖激光器背后的物理原理，希望通過這篇文章能夠讓更多人了解超快激光，從而推動(dòng)激光器和超快激光加工的發(fā)展。

鎖模（Mode locking）是激光器產(chǎn)生超短脈沖的方法之一，與調(diào)Q（Q-Switching）相類似，鎖模也是對(duì)激光器腔內(nèi)進(jìn)行調(diào)制，讓原本連續(xù)光（Continuous wave, CW）分裂，從而產(chǎn)生脈沖。但是鎖模與調(diào)Q僅僅是在物理現(xiàn)象上有所相似，其物理原理是完全不一樣的。本章從鎖模的物理原理出發(fā)，介紹一下鎖模脈沖的特性和目前通用的鎖模方法。

調(diào)Q，顧名思義，是對(duì)激光器腔內(nèi)的Q因子進(jìn)行調(diào)制，本質(zhì)上是一種損耗調(diào)制，結(jié)合增益介質(zhì)的增益特性產(chǎn)生脈沖。而鎖模這個(gè)詞就沒有那么直觀了，鎖頻激光器（Frequency locked laser）有些人可能聽說過，是通過外腔反饋等方法將激光器的輸出波長(zhǎng)鎖定在非常窄的頻率范圍。但是鎖模激光器是鎖定的什么“?！蹦?？這就得從激光器的模式說起。

　　通常大家在討論連續(xù)激光器和普通脈沖激光器時(shí)，會(huì)遇到“500 W單模連續(xù)光光纖激光器”、“200 W多模脈沖光纖激光器”之類的說法，這里提到的“單?！?、“多?！崩锩娴募す饽Ｊ绞侵傅募す獾臋M模（Transverse Mode），即激光器輸出光斑的空間分布，描述的是激光的空間（Spatial）特性，在lp坐標(biāo)下的模式分布如圖1所示。上面提高的“單模激光器”代表輸出激光的空間模式是基模，即圖中的0-0 模式；而“多?！敝傅募す夥植汲嘶Ｍ猓€有其他的高階?！癏igh order mode， HOM”。橫模的產(chǎn)生和分布是由激光器腔的光學(xué)特性決定。在光纖激光器中，激光在光纖中傳輸?shù)牟▽?dǎo)特性決定了輸出激光的橫模分布，通常使用“V”值來衡量光纖是否支持多模，“M”（M≈V2/2）值表示光纖中支持的橫模數(shù)量。

圖1. 在拉蓋爾-高斯坐標(biāo)中的激光橫模分布

（圖片來源：Wikipedia）

　　我們知道，每個(gè)激光器都由諧振腔、泵浦和增益介質(zhì)三要素構(gòu)成，增益介質(zhì)接受泵浦（光或電）產(chǎn)生的ASE熒光在諧振腔中共振引起受激輻射放大產(chǎn)生激光。由于諧振腔是一個(gè)駐波腔，因此只有ASE熒光中滿足諧振腔駐波條件的波長(zhǎng)成分才能產(chǎn)生相長(zhǎng)共振而放大。這里我們把滿足諧振腔共振條件的波長(zhǎng)叫做縱模（Longitude mode），縱模表示激光的頻域（Spectral）性質(zhì)。同時(shí)考慮到增益介質(zhì)的光譜性質(zhì)，只有在（凈）增益譜中的縱模成分才能在激光器中起振并且被放大。如圖2中所示，圖2（a）表示激光的增益譜，具有一定的增益帶寬，例如一般一般摻鐿光纖（Ytterbium doped fiber, YDF）的增益譜寬度可達(dá)50 nm；圖2（b）表示的是一個(gè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)，折射率為n的諧振腔中，其縱模頻率間隔Δv=C/2nL，對(duì)一個(gè)5 m長(zhǎng)的1064 nm線性光纖激光器諧振腔，縱模間隔Δv=C/2nL=107 Hz，對(duì)應(yīng)于波長(zhǎng)間隔Δλ=3.77*10-5 nm；這樣可算出YDF的增益譜中可支持多達(dá)106個(gè)縱模成分，如圖2(c)中激光輸出包絡(luò)中所包含的縱模成分。

圖2. 激光器中的縱模和增益特性

（圖片來源：Wikipedia）

　　需要注意的是，我們?cè)谏厦嬗懻摽v模間隔時(shí)，只考慮了激光器的線性特性即恒定腔長(zhǎng)和頻率，而在實(shí)際中尤其是超快激光器中，由于腔內(nèi)較高的峰值功率，有時(shí)需要考慮非線性折射率n2帶來的腔長(zhǎng)的非線性部分變化和mode pulling效應(yīng)。

　　除了橫模和縱模之外，在普通光纖中，由于光纖材料中雙折射的存在，激光在傳輸時(shí)有兩個(gè)正交的電場(chǎng)偏振方向，激光的偏振分量稱之為偏振模（Polarization mode）。在傳輸過程中，兩個(gè)正交的偏振模會(huì)通過交叉相位調(diào)制（Cross phase modulation，XPM）和四波混頻（Four wave mixing，F(xiàn)WM）效應(yīng)互相耦合（Polarization coupling），產(chǎn)生比如矢量孤子（Vector soliton）、偏振域（Polarization domain wall）和明暗孤子（Dark-bright vector soliton）等非常有意思的非線性現(xiàn)象。而在實(shí)際應(yīng)用中，尤其是通信領(lǐng)域，即使兩個(gè)偏振方向的折射率區(qū)別非常?。ㄒ话阌膳拈L(zhǎng)Beat length來描述，拍長(zhǎng)越長(zhǎng)，雙折射越?。?，在長(zhǎng)距離光纖傳輸中，由于偏振模色散（Polarization mode dispersion，PMD）效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)偏振方向的光信號(hào)發(fā)生走離，從而上導(dǎo)致信號(hào)劣化，因此在實(shí)際中通常采用PMD補(bǔ)償或全保偏方式來解決這個(gè)問題。

在正常工作的激光器中，起振的各縱模的相位是雜亂無章的，因此在時(shí)域（Temporal domain）上表現(xiàn)出的是一個(gè)連續(xù)光；若縱模的相位（差）保持恒定時(shí)，激光在時(shí)域上的表象就是一個(gè)脈沖，若保持恒定的縱模個(gè)數(shù)越多，產(chǎn)生的脈沖就越窄，這個(gè)過程我們稱之為鎖模（Mode locking），或者相位鎖定（Phase locking）。縱模相位鎖定產(chǎn)生脈沖的具體數(shù)學(xué)原理和推導(dǎo)過程在介紹激光原理的參考書上都有介紹，因此這里略去不提，有興趣的讀者可以自行查閱。我們只需要的定性地從下面三點(diǎn)理解鎖模即可：

鎖定的縱模越多，在光譜上表現(xiàn)為光譜寬度越寬。這里就要引入一個(gè)“轉(zhuǎn)換極限（Transform limited）”的概念，即對(duì)應(yīng)于特定寬度的鎖模光譜，有一個(gè)最窄的鎖模脈沖寬度，對(duì)于雙曲正割型（sech2-shape）脈沖，對(duì)應(yīng)關(guān)系為Δv*Δt≥0.315，對(duì)于高斯型（Gaussian-shape）脈沖則為Δv*Δt≥0.44，Δv和Δt分別代指的是鎖模脈沖的光譜寬度和脈沖寬度，其Δv*Δt數(shù)值稱為時(shí)間-帶寬因子（Time-Bandwidth Product，TBP），通常用來衡量鎖模脈沖的啁啾（Chirp）程度。脈沖寬度符合其光譜轉(zhuǎn)換極限的脈沖被稱為轉(zhuǎn)換極限脈沖，即該光譜狀態(tài)下可實(shí)現(xiàn)的最窄脈寬的脈沖。

　　這里我們可以從物理上區(qū)別鎖模脈沖與調(diào)Q脈沖或者M(jìn)OPA激光器中的電調(diào)制激光二極管中產(chǎn)生的脈沖（后簡(jiǎn)稱MOPA脈沖）之間的區(qū)別。調(diào)Q脈沖和MOPA脈沖本質(zhì)上是被調(diào)制的連續(xù)光（Modulated CW），其縱模相位是雜亂無章的。而鎖模脈沖的縱模相位是鎖定的，因此可以通過傅里葉變換（Fourier tTransformation）從脈沖的頻域特性得到脈沖的時(shí)域特性，這樣的脈沖波形和光譜被稱為是相關(guān)的（Coherent）。時(shí)域-頻域的相關(guān)性就是鎖模脈沖和調(diào)Q/MOPA脈沖最本質(zhì)上的區(qū)別。這樣也可以理解通過MOPA脈沖和鎖模脈沖產(chǎn)生的超連續(xù)譜（Super Continuum Spectrum ）的區(qū)別，由鎖模脈沖產(chǎn)生的超連續(xù)譜的相干性要比MOPA脈沖產(chǎn)生的超連續(xù)譜更好。

鎖模方法一般分為主動(dòng)鎖模和被動(dòng)鎖模。除了主動(dòng)相位調(diào)制之外，一般都是通過損耗調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)鎖模，其中最常用的是通過飽和吸收（Saturated Absorption）效應(yīng)產(chǎn)生鎖模。飽和吸收效應(yīng)，即光強(qiáng)越強(qiáng)，工作物質(zhì)的吸收越弱，當(dāng)光強(qiáng)足夠強(qiáng)時(shí)，飽和吸收體（Saturable Absober, SA）被“漂白”，對(duì)光不再吸收。飽和吸收體的吸收特性和工作原理如圖3所示。飽和吸收的弛豫時(shí)間越短，能支持的鎖模脈沖寬度也就越窄。在光纖激光器中，通過飽和吸收效應(yīng)鎖模的方式主要有非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模（Nonlinear Polarization Rotation，NPR），半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(Semiconductor Saturable Abosrption Mirror, SESAM)鎖模和非線性環(huán)行鏡（Nonlinear Loop Mirror，NOLM）鎖模。在光纖激光器中，鎖模脈沖的形成除了受飽和吸收效應(yīng)影響外，光纖諧振腔的色散、非線性、增益/損耗和增益帶寬對(duì)鎖模脈沖的演化動(dòng)力學(xué)過程有著重要的影響，直接決定鎖模的光譜寬度、脈沖寬度和脈沖穩(wěn)定性。

圖3. 飽和吸收效應(yīng)圖示。（左：飽和吸收體的吸收特性；右：飽和吸收體對(duì)脈沖的強(qiáng)度調(diào)制） （圖片來源：Prof. Frank Wise’s Website@Cornell University）

　　目前工業(yè)級(jí)光纖鎖模種子源基本都是SESAM鎖模加線性腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4所示，其中可以通過選擇不同的輸出啁啾光柵和SESAM參數(shù)，實(shí)現(xiàn)皮秒或者飛秒鎖模。在光纖飛秒鎖模種子源激光器中，飛秒激光的脈沖形成動(dòng)力學(xué)過程與光纖諧振腔參數(shù)直接相關(guān)，因此增益輸出啁啾光柵的帶寬和色散對(duì)輸出脈沖特性影響非常大，圖5所示的是華銳超快光纖激光技術(shù)有限公司提供的Erai-S型飛秒光纖鎖模種子源的輸出光譜。鎖模光譜寬度超過15nm，光譜包絡(luò)頂部非常平滑，說明鎖模脈沖中幾乎都是線性啁啾，因此非常適合進(jìn)行飛秒脈沖放大，獲得高質(zhì)量的壓縮脈沖結(jié)果。

圖4. 典型的光纖鎖模種子源設(shè)計(jì) 

（圖片來源：Teraxion官網(wǎng)）

圖5.華銳光纖的Erai-S飛秒種子源典型輸出光譜

Mourou和Strickland獲得諾貝爾獎(jiǎng)是因?yàn)樗麄兲岢龅倪泵}沖放大技術(shù)，首先我們需要知道什么是啁啾脈沖。上一節(jié)的內(nèi)容中介紹到鎖模脈沖的光譜是由很多個(gè)相位鎖定的縱模組成。而我們知道，不同波長(zhǎng)的光在介質(zhì)中傳播會(huì)受到色散效應(yīng)（Chromatic Dispersion）的影響，即不同波長(zhǎng)在介質(zhì)中的折射率（Reflective Index)不同，因此傳播的速度也就有差異。對(duì)于一個(gè)鎖模脈沖而言，色散效應(yīng)導(dǎo)致脈沖中不同縱模在介質(zhì)中的折射率不同，產(chǎn)生群速度色散（Group Velocity Dispersion，GVD），在時(shí)域上的表現(xiàn)為脈沖中不同成分的光在介質(zhì)中傳播速度不一樣，因此脈沖就會(huì)被展寬。從本質(zhì)上講，色散實(shí)際上是一個(gè)頻率相關(guān)的時(shí)間延時(shí)，因此這種因?yàn)樯⒍l(fā)生展寬的脈沖被稱為啁啾脈沖（Chirped Pulse）。這里需要指出的是，不僅僅是色散，非線性效應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生啁啾，例如在光纖中的自相位調(diào)制（Self Phase Modulation，SPM），但由SPM產(chǎn)生的啁啾不僅與頻率相關(guān)，還與光強(qiáng)的二次方相關(guān)，因此是一個(gè)非線性啁啾。對(duì)于脈沖中的非線性啁啾，實(shí)驗(yàn)中往往難以補(bǔ)償，而色散產(chǎn)生的線性啁啾，可以通過引入相反色散量進(jìn)行補(bǔ)償。

　　在最初做超短脈沖放大的研究中，光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)損傷閾值和非線性效應(yīng)如自聚焦往往限制了放大系統(tǒng)可達(dá)到的最大峰值功率，從而限制了單脈沖能量，此時(shí)如果用來放大的脈沖寬度越寬，在峰值功率一定的前提下能獲得的單脈沖能量就越大。因此Mourou等人提出，可以先對(duì)超短脈沖在色散介質(zhì)引入線性啁啾，對(duì)脈沖進(jìn)行展寬，然后再進(jìn)行放大，最后在引入相反色散量，將展寬放大的脈沖進(jìn)行時(shí)域壓縮，即可突破光學(xué)系統(tǒng)的峰值閾值，獲得更高峰值功率的脈沖輸出，圖6是Mourou和Strickland介紹他們CPA工作的第一篇文章中的CPA放大示意圖（“Compression of amplified chirped optical pulses”, Optical Communication, Volume 56, Issue 3, 1985, Page 219-221）。

圖6. Mourou文章中的CPA放大和壓縮結(jié)構(gòu)示意圖

　　下面通過這邊文章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果為例，解釋超短脈沖CPA放大的過程。實(shí)驗(yàn)中采用的種子激光器是一臺(tái)早期的Nd：YAG鎖模激光器，輸出脈沖脈寬150ps，重復(fù)頻率82MHz。他們將鎖模脈沖導(dǎo)入一根長(zhǎng)為1.4km的單模光纖中，將脈沖展寬至300ps，光譜寬度50 A，即5nm，功率2.3W。展寬后的脈沖后進(jìn)入一個(gè)再生放大腔放大至單脈沖能量2mJ，然后通過一對(duì)光柵組成的Treacy壓縮器（Treacy Compressor） 將展寬后的脈沖壓縮至1.5ps。在實(shí)驗(yàn)中，壓縮器的壓縮效率為50%，即壓縮后單脈沖能量1mJ，峰值功率達(dá)667 MW。雖然在30多年后看這篇文章，文中的CPA設(shè)計(jì)在很多地方是有問題的，例如進(jìn)入展寬光纖的種子光功率太強(qiáng)，自相位調(diào)制的積累導(dǎo)致光譜展寬，而且過長(zhǎng)的展寬光纖也會(huì)造成偏振模色散和穩(wěn)定性方面的問題，但是其方法開創(chuàng)了一種全新的突破光學(xué)系統(tǒng)峰值功率上限的技術(shù)，將超快激光器的功率提升到了新的臺(tái)階。

　　在做啁啾脈沖放大之前，首先需要對(duì)種子鎖模脈沖進(jìn)行展寬。一般是通過色散對(duì)引入線性啁啾進(jìn)行展寬，需要引入很大色散量，在光纖技術(shù)突破之前，做科學(xué)研究時(shí)通常使用光柵對(duì)對(duì)脈沖引入色散，如圖7中所示。由于不同波長(zhǎng)成分的光對(duì)于光柵的衍射角不同，這樣可以對(duì)不同波長(zhǎng)成分引入光程差，起到引入色散的效果。

圖7. 光柵對(duì)引入色散 

（圖片來源：Ibsen官網(wǎng)）

　　使用光柵對(duì)進(jìn)行脈沖展寬，需要引入空間光路，因此在實(shí)際操作中比較復(fù)雜，不利于在工業(yè)級(jí)超快激光器中使用。而隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，尤其是光纖損耗的降低，目前常用光纖引入較大色散進(jìn)行脈沖展寬。下面定量的解釋如果使用光纖進(jìn)行脈沖展寬：假設(shè)種子脈沖的中心波長(zhǎng)1035nm，光譜寬度5 nm，脈沖寬度225 fs的轉(zhuǎn)換極限脈沖，引入100m長(zhǎng)的HI1060光纖中。HI1060光纖在1035nm附件的色散參數(shù)（Dispersion Parameter）為D= - 40ps/nm/km，負(fù)號(hào)表示為正常色散（Normal Dispersion）。此時(shí)鎖模脈沖通過光纖后的展寬量為|-40|ps/nm/km*5nm*100m=20ps，即脈沖展寬到20 ps+225 fs=20.225ps。我們可以看到，如果需要將脈沖展寬的更寬，需要脈沖有更寬的光譜和使用更長(zhǎng)的展寬光纖。雖然使用光纖展寬相較光柵對(duì)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單損耗更小，但是過長(zhǎng)的光纖會(huì)引入大量的三階色散（Third Order Dispersion，TOD），會(huì)導(dǎo)致在做脈沖壓縮特性劣化，表現(xiàn)為在脈沖前沿會(huì)產(chǎn)生非對(duì)稱的拖尾。同時(shí)太長(zhǎng)的光纖光程還會(huì)帶來不必要的自相位調(diào)制積累，也會(huì)造成脈沖壓縮的劣化，表現(xiàn)為脈沖前后沿產(chǎn)生無法壓縮的對(duì)稱背底（Pedestal）。若使用普通光纖展寬的話，展寬光程太長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致偏振模色散，兩個(gè)偏振模會(huì)發(fā)生走離，影響脈沖壓縮質(zhì)量。

　　目前隨著光柵技術(shù)的發(fā)展，某些廠家推出了脈沖展寬光柵，通過一段啁啾率特殊設(shè)計(jì)過的啁啾光纖光柵（Chirped fiber Bragg grating，CFBG）引入大量色散使得脈沖展寬，三階色散量也可通過光柵的特殊設(shè)計(jì)調(diào)整，這樣可以避免使用過長(zhǎng)的光纖展寬引入的TOD和SPM積累問題。同時(shí)，通過對(duì)光纖光柵進(jìn)行分段控溫，可對(duì)展寬量和TOD作小范圍調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)壓縮脈沖寬度的脈沖質(zhì)量可調(diào)。但是CFBG的帶寬往往有限，色散參數(shù)較大的往往帶寬較小，帶寬較大的色散參數(shù)范圍往往有限，因此在使用中需要結(jié)合鎖模種子脈沖的光譜寬度和最終壓縮目標(biāo)量，以及整個(gè)光纖光程，選擇合適參數(shù)的脈沖展寬光柵。

　　在對(duì)展寬的啁啾脈沖進(jìn)行放大后，需要引入和展寬時(shí)相反的色散量，對(duì)脈沖進(jìn)行壓縮。目前普遍采用的是上面所述的光柵對(duì)組成Treacy壓縮器對(duì)脈沖進(jìn)行壓縮，如圖8所示。圖9是華銳超快Erai-35飛秒光纖激光器的壓縮后脈沖自相關(guān)測(cè)量曲線。Erai-35飛秒激光器輸出平均功率35W，單脈沖能量200uJ，如圖中實(shí)測(cè)脈沖寬度小于300 fs。我們可以看到脈沖底部有輕微未壓縮的背底成分，這是由于脈沖放大過程中產(chǎn)生無法補(bǔ)償?shù)姆蔷€性積累，在高單脈沖能量飛秒光纖激光器中是普遍現(xiàn)象，但若脈沖背底成分過多，會(huì)使得實(shí)際單脈沖能量和峰值功率與理論計(jì)算值有較大偏差，加工中達(dá)不到理想的加工效果。為了減少背底成分對(duì)脈沖質(zhì)量的影響，需要更高質(zhì)量的鎖模種子脈沖、優(yōu)化的放大光路和壓縮器設(shè)計(jì)。

圖8. 使用透射光柵對(duì)壓縮器對(duì)展寬脈沖進(jìn)行壓縮

（圖片來源：Ibsen官網(wǎng)）

圖9:華銳超快Erai-35 飛秒光纖激光器

典型輸出脈沖自相關(guān)測(cè)量曲線

　　使用光柵對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行脈沖壓縮，也同樣存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜和空間穩(wěn)定性等問題。目前一些廠商提出了另外使用啁啾體光柵（Chirped Volume Bragg Grating，CVBG）進(jìn)行脈沖壓縮的方案，可以實(shí)現(xiàn)非常緊湊的壓縮器設(shè)計(jì)。啁啾體光柵使用特殊的光敏材料制作，與啁啾光纖光柵類似，也是通過光敏產(chǎn)生周期性折射率變化的形式，引入大量色散量，如圖10中所示。由于CVGB是體光柵且通光面積更大，因此它可以承受很高功率(>100W)，且效率較高，而且其緊湊的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)類似于普通光纖脈沖激光器的激光頭結(jié)構(gòu)輸出。

圖10. 啁啾體光柵工作示意圖 

（圖片來源：Optigrate官網(wǎng)）

　　另一方面，在激光脈沖峰值功率較低時(shí)，還可以使用與展寬介質(zhì)色散相反的色散補(bǔ)償光纖（Dispersion Compensation Fiber，DCF）進(jìn)色散補(bǔ)償，這種方法在1.5 um摻鉺超快光纖激光器中比較常見。而制作光纖的石英材料在1 um波段很難通過基于普通光纖設(shè)計(jì)的方式實(shí)現(xiàn)反常色散（Anomalous dispersion），因此目前1 um波段的色散補(bǔ)償光纖一般是通過特殊設(shè)計(jì)的光子晶體光纖實(shí)現(xiàn)，典型的如NKT Photonics的HC1060 Hollow Core型光子晶體光纖（Dispersion@1060nm = 120 ps/nm/km），如圖11所示。使用色散補(bǔ)償光纖壓縮，可實(shí)現(xiàn)更加緊湊的CPA放大設(shè)計(jì)，在低功率飛秒光纖激光器和飛秒光纖振蕩器中在尤為適用。

圖11. NKT Photonics公司的HC1060光纖橫截面

（圖片來源：NTK Photonics官網(wǎng)）

　　在飛秒光纖激光器中，其放大介質(zhì)是光纖，相比于固體放大，光纖放大的峰值功率限制和SPM積累效應(yīng)更加明顯，即使是采用CPA放大的形式，在普通光纖中可放大到的最高功率依然有限，因此需要使用CPA放大結(jié)合新的放大介質(zhì)例如特殊光纖和放大方法。

　　目前廣泛使用的以特殊光纖為放大介質(zhì)的主要包括光子晶體光纖和拉錐光纖，其目的都是特殊的光纖設(shè)計(jì)，保持基模的放大和傳輸，并實(shí)現(xiàn)較大的模場(chǎng)面積，從而能降低功率密度，實(shí)現(xiàn)更高功率輸出。光子晶體光纖主要使用的是NKT Photonics生產(chǎn)的40/200 光子晶體光纖和65/85um纖芯直徑的棒狀光子晶體光纖(PCF ROD)兩種。其中40/200光纖放大的峰值功率可達(dá)150~200 KW, 一般用于最大單脈沖能量50uJ左右的的超快光纖激光器中，例如法國(guó)Amplitude公司的Satsuma系列、相干公司的Monaco系列和通快的TruMicro2020系列；而更大模場(chǎng)面積的棒狀光子晶體光纖中可支持 >500 KW的峰值功率，最高可支持壓縮后單脈沖能量200 uJ輸出，例如Amplitude的Tangerine系列。使用光子晶體光纖的問題在于首先成本較高，而且目前只有NKT Photonics單家供應(yīng)商，因此有很高的供應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)，其次使用光子晶體光纖，尤其是棒狀光纖都無法做成真正的全光纖結(jié)構(gòu)，仍有存在大量的空間光學(xué)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整機(jī)穩(wěn)定性問題。除光子晶體外，IPG等一些激光器廠商使用拉錐光纖作為主放大介質(zhì)。拉錐光纖通過一定的錐形曲線，從小纖芯通過若干長(zhǎng)度后過度到大纖芯，這樣在放大過程中可以一直保持基模的持續(xù)放大，在保證光束質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高放大功率。

　　同時(shí)，通過結(jié)合一些新的激光技術(shù)與CPA技術(shù)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)更高功率的放大。例如法國(guó)的Amplitude公司在《Optics Letters》上發(fā)表的《Femtosecond fiber chirped- and divided-pulse amplification system》文章（Optics Letters，Vol.40，Issue 1，Page89-92），將CPA、分布式放大和偏振相干合成結(jié)合使用，使用PCF ROD實(shí)現(xiàn)脈寬320 fs、單脈沖能量430 uJ輸出，其放大光路設(shè)計(jì)如圖12中所示。

圖12. 偏振分束分布式CPA放大 

（圖片來源：OSA）

　　距1985年Mourou和Strickland在《Optics Communication》上發(fā)表第一篇CPA放大的文章至今他們因CPA技術(shù)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)已經(jīng)過去了33年。期間超快激光器尤其是超快光纖激光器無論是在理論上和工業(yè)技術(shù)上都取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。

　　鎖模種子源從最初的固體鎖模激光器發(fā)展到了如今廣泛使用的光纖鎖模激光器，在鎖模機(jī)理和超短脈沖形成和演化機(jī)理方面的研究，從孤子鎖模（Soliton mode locking）、展寬脈沖鎖模（Stretch pulse mode locking）、自相似鎖模（Self-Similar pulse mode locking）到全正色散耗散孤子鎖模（Dissipative soliton mode locking），脈沖在鎖模激光器中的形成機(jī)理已經(jīng)獲得了非常深入的研究；同時(shí)對(duì)于鎖模材料研究，從最初的Kerr-lens鎖模，到U. Keller發(fā)明半導(dǎo)體和飽和吸收體鎖模，到后面光纖激光器中的NPR鎖模，NOLM鎖模到新型材料如石墨烯（Graphene）、二硫化鉬（MoS2）和黑磷（Black phosphorus）鎖模，已經(jīng)建立起完備的鎖模理論、鎖模材料實(shí)驗(yàn)研究體系。在工程技術(shù)方面，商業(yè)化的半導(dǎo)體可飽和吸收鏡和色散補(bǔ)償器件使得超快鎖模種子源可以大批量供應(yīng)，更成熟的制造和應(yīng)用技術(shù)也使得種子源的壽命不斷提升。

　　在CPA的展寬-壓縮設(shè)計(jì)中，越來越多的新器件和新材料被采用，從最初的光柵對(duì)和普通光纖展寬，發(fā)展到了啁啾光纖光柵、特殊光纖等器件，在提供更多色散量的同時(shí)，提高了系統(tǒng)光學(xué)性能和工程便利性。壓縮器也從傳統(tǒng)的光柵對(duì)Treacy壓縮器設(shè)計(jì)，發(fā)展到了使用CVBG等器件，使得系統(tǒng)更緊湊，穩(wěn)定性更強(qiáng)。在放大介質(zhì)方面的研究也在不斷推進(jìn)，越來越多的新器件被推出，國(guó)產(chǎn)光子晶體光纖的發(fā)展也越來越快。在追求更高功率方面，國(guó)內(nèi)對(duì)碟片激光器的研究也越來越關(guān)注。

　　從這三十年的發(fā)展可以看出，CPA技術(shù)拋磚引玉，打破了阻礙高功率超快激光器發(fā)展最主要的限制，讓更多的技術(shù)可以“破門而入”，與CPA技術(shù)相結(jié)合，將超快激光器的研發(fā)推上一個(gè)又一個(gè)高點(diǎn)。