高功率激光系统（2）

长三角G60激光联盟导读

据悉，本文综述了利用功能光纤实现高能固态圆盘和平板系统以及高功率光纤系统的非线性抑制策略。本文为第二部分。

2.4.5波前畸变校正

与盘式放大器不同，对于高能平板系统增益介质中的泵浦条件和横向温度梯度产生的高热应力，波前畸变总是出现。

PW激光器的布局和实验装置。

通过相位共轭自动校正波前失真，消除了有源电子元件控制的要求。高能固体激光器已成功用于液体氟利昂SBS光子晶体。氟利昂中的SBS具有更高的阈值，需要更长的工作距离才能实现声光栅形式的良好反射率。因此，它只能在相干长度更大的脉冲激光下工作。在大多数情况下，PCM的反射率小于1，因此需要使用高增益结构以避免效率降低。自适应光学（AO）提供了一种比相位共轭更灵活、更易于实现的波前校正控制方法。

由于这种能力，主动控制回路和致动器的复杂性增加。为了减小或消除高功率输出光束的光程差，自适应光学系统主动或自适应地控制光束路径中光学元件的形状或方向。即使热梯度减小到光路长度整体热变化的一小部分，这通常仍足以导致波前畸变，从而降低光束质量。HALNA激光系统的波前畸变通过SBS相位共轭镜进行校正，其输出能量的60%集中在远场衍射极限的两倍内。

2.5固体系统概述

图2显示了各种技术的脉冲能量与重复率以及峰值功率与重复率的关系。可以看出，有源镜板放大器达到了10J的脉冲能量和大于1GW的峰值功率。使用多个有源镜板放大器，100 J能量的ns脉冲激光器正在建设中。此外，采用PDL泵浦和气体冷却技术的多实验室放大器可以产生大于100 J的单脉冲能量、约10 ns的脉冲宽度、1–10 Hz的重复频率和10 GW的峰值输出。

图2 高能ns/ps/fs激光器概述。a）脉冲能量与重复频率的关系。b）峰值功率与重复频率。RA（再生放大器）、MP（多通放大器）。

如图2b所示，盘式放大器是产生高能ps激光脉冲的当前标准方法。由于其出色的散热性能，可以产生高功率超短脉冲。薄盘放大ps脉冲的平均功率超过2kW。一种基于激光的薄盘放大器据称在1kHz重复率下具有720mJ和0.92ps。基于低温冷却和PDL泵浦的Yb:YAG的激光系统以1kHz的重复率产生了4.5ps的1.1J脉冲，平均功率为1.1kW，创下了焦耳级ps激光的记录。基于带OPCPA的薄圆盘高能ps激光器的少周期fs激光器的峰值输出超过5 TW。尽管存在能量存储限制，但圆盘激光器可以通过多路复用增益放大元件的数量，将热负荷分布在多个圆盘上，并在不同组件中持续改进，以获得极高功率水平（光学器件、色散元件等），从而提供数kHz的多焦耳输出。

虽然由于能量存储不足和强非线性，单个光纤通道无法实现高峰值脉冲输出，但相干光束组合将克服这一缺点。ICAN（国际相干放大网络）针对平均功率提出的最具雄心的系统将进行10000光纤激光器的相干光束组合，以产生大于0.1pW的峰值功率。

下一节，我们将重点介绍如何在单通道光纤放大器中实现高功率放大，并回顾研究人员在非线性抑制方面所做的工作。

3，高功率光纤放大器

光纤具有巨大的比表面积，确保了几十万瓦的紧凑型光纤系统。这种紧密结合的光纤波导提供了高质量的光束质量输出，并显著提高了激光器的有效非线性作用长度。尽管这种强大的非线性效应开辟了许多固态激光器难以触及的新领域，包括具有扩展波长或自清洁的拉曼放大器；通过受激布里渊散射（SBS）和四波混频（FWM）实现的低噪声放大器；从真空紫外到中红外的超连续谱激发；和时空孤子的异常动力学现象等。在大多数高功率连续激光和脉冲激光谐振器和放大器中，通常需要有效抑制非线性。此外，材料的自聚焦损伤似乎是限制峰值功率进一步增加的最终障碍。然而，对于直径为100µm的光纤，石英的自聚焦阈值约为4 MW。另一方面，光纤激光器的失效通常是由于光纤涂层的热损伤以及由于放大器的返回光在前端设备处的光学损伤。因此，克服这些材料损伤挑战的关键在于抑制非线性退化。

在这些非线性效应中，受激布里渊散射只会影响脉冲的窄线宽。自相位调制（SPM）将在超短脉冲放大过程中拉伸脉冲。尽管如此，CPA通过相位补偿可以显著抑制这种现象，并且不会限制最终压缩脉冲的峰值功率。然而，受激喇曼散射会降低连续或脉冲放大过程的转换效率，并导致模式不稳定。作为主要的非线性效应，SRS抑制迫在眉睫。

在WFS2测得的波面图(a)在DM1操作前(b)在100tw模式下。

3.1 SRS抑制

SRS阈值的常规定义由Smith获得。随后的研究人员在考虑许多实际因素的前提下修订了阈值公式。此外，Wang、Schreiber、Liu等人系统地分析了高功率双包层光纤（DCF）振荡器和放大器的拉曼演化，然后提出了一些激光配置建议：通过制造更大的模场和更高的掺杂增益光纤来减少有源光纤的有效长度，红移信号波长，通过串联泵浦或侧泵浦使泵浦分布平坦，适当增加千瓦级连续光学谐振器中的FBG带宽，并降低主振荡器功率放大器（MOPA）系统中的信号功率等。

3.1.1光谱选择性纤维

除了上述常规调整之外，人们还开发了一些针对斯托克斯位移显著特性的有针对性的设计拉曼滤光光纤的二氧化硅。Kim等人设计了一种W型折射率分布光纤。光纤的截止波长设置在信号和斯托克斯波长之间。在中等弯曲条件下，斯托克斯波会产生强烈的弯曲损耗，同时保持信号的微弱弯曲损耗。除了弯曲诱导损耗滤波机制外，通过引入折射率高于芯区的包层边带，可以发生共振耦合过程。当核心和环形区域的拉曼有效折射率在图1a中相等时。则拉曼模式呈现图3e中的高损耗谐振混合模式分布。

图3 举例说明由于共振耦合而产生的滤波概念:(a,b)中的黑色虚线表示折射率分布。a)当有效折射率(蓝色虚线)相等时，共振耦合过程发生不同程度的变化。b)维持核心模式(红线)。c)混合模式分布。d)核心模式分布。e)两种模式的有效折射率。

然而，离域不能消除混合模式。只有从波导限制条件中完全排除拉曼模式的存在，才能更有效地抑制拉曼模式而不产生信号损失。由于灵活的带隙设计，光子带隙光纤（PBGF）可以作为一阶拉曼、ASE和高阶斯托克斯的锐切分布式滤波。第3.5章将详细介绍光子晶体光纤（PCF）和PBGF。

3.1.2 LPG和CTFBGs

上述光纤的滤波在其高功率应用中受到限制，因为其弯曲敏感性和直径缩放的适应性不足。但这种设计理念可以直接在增益光纤上实现，并启发了后续光纤设计，例如，将高折射边带更新为高折射侧芯。

Jansen等人模拟了插入几个集总滤波器可以在合理的插入损耗下实现拉曼阈值的三倍增加。Nodop等人首先通过CO2激光诱导长周期光纤光栅（LPG）证明了这一概念，三个LPG级联以使可提取输出功率加倍。然而，由于石英对二氧化碳的高吸收，蚀刻仅发生在纤维表面的一侧。不对称和随机热应力导致温度、应变和弯曲敏感性，限制了高功率工作能力。虽然对大芯光纤进行了fs直接传输蚀刻，但仍需优化滤波光谱结果。

另一种具有更稳定滤波性能的光栅是啁啾和倾斜光纤布拉格光栅（CTFBG），Meltz于1990年首次提出该光栅。

在100TW模式下测量的焦斑图像（a）在波前校正之前，（b）在波面校正之后，以及（c）在波前校正和压缩器光栅的微调之后。

由于倾斜的光栅平面（图4a，b中的平行黄色斜线段），入射光不仅会像传统FBG一样耦合到后向纤芯模式。由于每个包层模式的带宽都很窄，并且仅考虑光栅倾斜的影响而分离，因此没有啁啾的标题FBG呈现出完美的“梳状”透射光谱，如图4a所示。假设光栅在图4b中出现啁啾，在这种情况下，不同位置的标题FBG的周期将具有加宽每个包层模式谐振的效果，以至于它们最终显著重叠（图4c中的红线）。通过旋转相位掩模来制造CTFBG，如图4d所示，啁啾相位掩模和光纤固定在相对角度θ。可以通过调整原始布拉格波长、倾角、啁啾率和光栅写入时间来调整主光谱信息。

图4 CTFBG的示意图。

由光敏光纤制成的光纤光栅比传统光纤具有相对较差的功率容限，这限制了滤波器只能插入低功率种子和主放大器之间，如图5中的CTFBG1。当CTFBG2在最终功率输出位置维修时，必须克服两个主要障碍。首先，动态退火过程可以消除高压氢处理后残余氢分子引起的强红外吸收。第二，耦合斯托克斯光在涂层中引起的严重热累积。

图5级间过滤器CTFBG1和直接过滤器CTFBG2的示意图，插图显示了涂层下的蓄热情况。

3.2 SBS抑制

具有接近衍射极限光束质量的窄线宽光纤激光器在各种应用中都是理想的，例如非线性频率产生、遥感、光束组合、重力波检测。SBS效应是限制窄线宽连续波或纳秒光纤激光放大器功率缩放的主要因素。一旦峰值功率达到SBS阈值，信号的能量开始转移到频率降档（二氧化硅中约11 GHz）的斯托克斯波，并以与信号相反的方向传播，这破坏了放大器或振荡器的稳定性，甚至对设备造成物理损坏。近年来，利用SBS的窄增益带宽，许多SBS抑制方案已在理论和实验上得到验证(≈10MHz）及其阈值的特性。我们将根据图6中的分类扩展描述。

图6 SBS效应和主要抑制方案。a）减少声光场的模式重叠。b）施加温度和应力梯度以改变布里渊频移（光纤从杆的一端缠绕到另一端，通过在杆的端部使用加热器和冷却器来产生沿光纤的温度梯度）。c）通过相位调制拓宽激光种子的线宽。d）控制斯托克斯波和泵浦信号之间的相互作用长度。

3.2.1改变布里渊频移

由于光纤中的布里渊位移与泵浦波长处的声速和有效模式折射率有关，因此调整这些参数可以改变布里渊位移。如果频移大于SBS增益带宽，则斯托克斯波将因布里渊增益大幅降低而停止增长。该方法可通过以下两种方式实现。一种是使用光纤来减少声光模式的重叠。不同的掺杂材料将导致不同的声学和光学速度响应，可以在分区中掺杂光纤的芯和包层，以实现声学模式和光学模式的分离，提高SBS阈值。另一种方法是通过施加环境因素（如应力、温度等）对布里渊频移的影响来控制峰值布里渊增益。据报道，在70℃温度梯度控制下，SBS抑制率为3.3 dB。

3.2.2控制相互作用长度

SBS中斯托克斯波与信号的相互作用是整个过程的关键，通过有效调节相互作用的长度可以抑制SBS。对于连续激光器，相互作用长度是光纤的长度，并且可以通过使用具有大模场直径的短增益光纤来减小SBS。与连续激光器不同，脉冲激光器中的相互作用长度不再简单地等于光纤长度，而是与光纤长度、脉冲宽度、脉冲重复频率等相关。Su等人使用MOPA系统结合主放大器级中的0.31m短相互作用长度来抑制SBS，并产生了3ns的脉冲宽度，平均功率为913W。Huang等人研究了具有窄线宽的线偏振全光纤MOPA系统。由于受激布里渊散射的声子寿命限制在10ns，并且短光纤可以减少斯托克斯波和信号之间的相互作用长度，因此平均功率为466 W，脉冲宽度为4ns，重复频率为10 MHz，线宽为203.6 MHz。

通过WFS3在PW模式下测量的波前图（a）在波前校正之前，（b）在波面校正之后，以及（c）波前校正前后泽尼克系数的比较。

3.2.3相位调制技术

虽然通过改变布里渊频移和调节斯托克斯与信号之间的相互作用长度可以有效地抑制SBS效应，但这两种方法的影响在窄线宽多千瓦激光系统的功率缩放中是有限的。近年来，相位调制技术已成为抑制SBS的一种有吸引力的解决方案。通过向种子相位施加信号以加宽线宽，可以降低种子激光器的功率谱密度，从而在频域中有效抑制SBS。随着研究人员的积极探索，目前用于相位调制的调制信号非常丰富，主要包括正弦波相位调制、白噪声信号（WNS）调制、伪随机比特序列（PRBS）调制、分段抛物线信号（PPS）调制、多相位编码信号调制等。在这些信号中，WNS和PRB是窄线宽多千瓦级光纤放大器中使用最多的。图7显示了相位调制技术的过程。

图7激光相位调制技术原理图。经过滤波器滤波和射频（RF）放大器放大后，信号驱动电光调制器（EOM），从而增加种子激光器的线宽。正弦波调制产生等幅侧频率。WNS调制后的包络为洛伦兹线型。PRBS调制后的包络为sinc2型，包含分离的谱线。对于PPS调制，频谱近似为矩形。多相位编码信号调制后的频谱类似于sinc2类型，但密度高于PRBS调制。

正弦波、WNS和PRBS调制是抑制SBS的经典方法。正弦波调制通过信号发生器将正弦信号施加到种子激光器的相位来产生边频率。调制谱有两个主要特征：它显示多频的等幅谱线；光谱宽度和光谱线的数量都与调制幅度成比例。受单个调制器展宽能力的限制，多个正弦波调制信号通常用于增加谱线的数量并实现谱展宽。Williamson等人提出了一种通过WNS相位调制抑制SBS的方案。滤波后的WNS信号由射频放大器放大。它驱动电光调制器，电光调制器可以实现种子激光器的不同相移，以拓宽光谱宽度。Li等人应用级联WNS相位调制将种子激光器的线宽扩大到几十GHz，通过比较有和没有WNS相位调变的激光放大系统，拉曼信噪比在1275 W的输出功率下达到49 dB，Lin等人发现级联WNS相位调制技术有利于抑制SBS和SRS，输出线宽为0.3 nm，功率为3.7 kW。

近年来，研究人员一直在寻求更好的SBS抑制效果，并平衡该过程中的一些问题，如高功率扩展中的SBS TMI、种子激光器线宽展宽引起的相干减弱。因此，开发了一些新的相位调制和优化方案。Lai等人提出了多相位编码信号相位调制，在915和1018nm泵浦长有源光纤的光纤放大器中，该调制改变了SBS阈值，优于WNS和PRBS调制。他们认为，多相位编码信号调制将在平衡SBS和TMI方面发挥关键作用。White等人应用PPS相位波形以产生更高的每单位带宽SBS阈值。如果带宽定义为包含85%总功率的频率范围，则PPS相位调制的SBS阈值比5位或7位PRBS调制方案的SBS门限高1.4倍。此外，PPS的SBS阈值是PRBS的三倍，带宽占总功率的95%。虽然相位调制在抑制受激布里渊散射方面取得了显著的成就，但需要更宽的线宽和更高的功率或更长的传输光纤，最终导致激光功率谱密度不变或降低，并削弱激光相干性。Goodno和Rothenberg通过引入与时间无关的相位和正弦信号以及同步幅度和相位调制，拓宽了种子激光器的线宽。功率缩放中的非线性自相位调制用于压缩频谱，SBS限制线宽减少了2.5倍。

3.3横模不稳定性

如上所述，更大的芯直径是抑制大多数非线性效应的直接方法。同时，需要减小LMA光纤的数值孔径（NA），以实现单横模输出。这意味着芯和包层的折射率值需要尽可能接近。然而，纤芯的高掺杂自然与轻微的折射率梯度和均匀的折射率分布相反。当光纤高度掺杂Yb时，必须掺杂其他元素，如Al和Ce，以抑制光致暗效应。这些综合考虑给低NA LMA光纤的制备带来了许多挑战，例如光纤芯的高光学质量、高掺杂均匀性、高精度折射率调制和尽可能低的光衰减。

然而，即使0.02 NA也不支持芯尺寸超过约40µm的纯SM输出，因此用于抑制非线性的LMA光纤通常支持多个横模。这与光纤的热负荷相结合，导致了TMI现象。TMI表明，当平均输出功率达到某一阈值时，输出光束质量和光束稳定性将突然恶化。由于TMI可能在输出功率达到非线性阈值之前发生，因此它已成为限制SM和准SM光纤激光器功率扩展的重要因素。近五年来单模块光纤激光器的输出如图8所示。与多模输出光纤激光器相比，由于TMI效应，SM和近SM输出光纤激光器的功率随着发展缓慢增加。

图8用于振荡器和MOPA系统的光纤激光器平均功率的开发。

3.3.1 TMI的机制和阈值

TMI现象的最早描述来自PCF放大系统。2011年，Eidam等人报告了具有不稳定模态内容的可视化激光输出，该内容随时间波动，并且在阈值输出功率下光束质量恶化。这种现象被称为“横模不稳定性”。科学研究界普遍认为，它起源于热效应，是光纤中受激热瑞利散射的表现。

TMI的发生有两个条件。一种是由具有不同相速度的基模（FM）和高次模（HOM）引入的模式干涉图案（MIP）产生的热诱导长周期折射率选通（RIG）。另一个是MIP和RIG之间的相移，因为MIP的变化是瞬时的，但由于RIG生成过程中的热传导造成的时间延迟，RIG的变化落后于MIP。通过满足TMI生成的两个条件，可以实现FM和HOMS之间的能量耦合。

对于具有大模场和短长度光纤的光纤系统，TMI过程由稳定阶段、过渡阶段和混沌阶段组成，如图9所示。在过渡阶段，光束轮廓的波动在毫秒时间尺度上周期性发生。该波动可被识别为图9a所示频谱中的离散频率峰值。利用光电二极管（PtD）测量，相关时间和动态信息可以通过傅里叶变换轻松获得和分析。这导致了广泛使用的TMI阈值定义，当PtD轨迹的标准偏差随平均功率的拟合演化曲线（图9c中的黑线）的局部导数变为0.1‰W–1时，就达到了该定义。此外，还有其他阈值定义标准，如恒定平均热负荷。

图9 PtD的稳态级对应轨迹显示直线和稳定的光束轮廓。在TMI阈值之后，输出进入过渡阶段，TMI发生，PtD轨迹显示出强烈且规则的振荡（相应的傅里叶变换具有特定的峰值），光束轮廓随时间周期性波动。输出显示混沌状态下的复杂光束轮廓，PtD跟踪频率域中具有更宽峰值的不规则振荡。

然而，关于MIP和RIG之间的初始相移没有明确的结论。有两种流行的理论。第一个保持中心频率差∆μ，频率失谐导致MIP在光纤中轴向移动。另一种理论是FM和HOMs之间没有频率差。当平均功率足够高以使热负载达到一定水平时，热负载将引起波导条件的变化，导致FM和HOMs之间的有效折射率差异，并且上述过程导致MIP的移动。

这两种理论都发展了各自的数值模拟方法。这些数值模型已经扩展到包括横向空间烧孔（TSHB）、增益饱和、量子噪声、泵浦和信号调制、信号带宽等可能影响TMI阈值的因素。它们还可以通过视觉图像再现各种TMI过程的精确物理细节。这些因素指出了抑制TMI的方法。

来源：High-Power Laser Systems, Laser & Photonics Reviews, doi.org/10.1002/lpor.202100741

参考文献：O. H. Heckl, J. Kleinbauer, D. Bauer, S. Weiler, T. Metzger, D. H. Sutter, in Ultrashort Pulse Laser Technology (Eds: S. Nolte, F. Schrempel, F. Dausinge), Springer, Switzerland 2016, Ch. 5.