隨著科技的進(jìn)步，飛秒激光在工業(yè)加工領(lǐng)域，科學(xué)研究，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。而與傳統(tǒng)的固體激光器相比，光纖作為增益介質(zhì)，有散熱性能好，環(huán)境穩(wěn)定性高，光束質(zhì)量好，輸出靈活等優(yōu)勢。光纖器件的集成化程度高也有利于工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用，因此光纖飛秒激光器也得到了越來越廣泛的關(guān)注。
鎖模振蕩腔通常可以得到pJ-nJ級別能量的飛秒脈沖，如果直接對脈沖進(jìn)行放大，高峰值功率引入的強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致脈沖畸變，甚至可能對光纖造成損傷。
為此為了獲得高能量高質(zhì)量的飛秒脈沖，人們提出了多種光纖飛秒放大技術(shù)，諸如啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)，非線性放大技術(shù)等等。
啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)
CPA技術(shù)最早由法國物理學(xué)家Mourou和加拿大物理學(xué)家Strickland共同發(fā)明，也讓他們榮獲了2018年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。它的基本原理是：先在時(shí)域上展寬飛秒脈沖通常到皮秒甚至納秒量級，來降低脈沖的峰值功率；然后再對展寬后的脈沖進(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，就可以獲得更高峰值功率的脈沖。
但是脈沖在微米量級的光纖纖芯中傳輸，不可避免的會(huì)受到非線性效應(yīng)的影響。非線性效應(yīng)主要包括自相位調(diào)制（SPM），自陡峭，受激拉曼散射以及自聚焦等。光纖的非線性系數(shù)可以描述為
ω0為中心角頻率，Aeff為有效模場面積，n2為光纖的非線性折射率系數(shù)，c為光速。
在脈沖放大過程SPM最先出現(xiàn)，對于大部分脈沖來說，SPM效應(yīng)會(huì)帶來無法補(bǔ)償?shù)姆蔷€性相移，最終導(dǎo)致去啁啾后脈沖出現(xiàn)基底。為了定量的描述整個(gè)系統(tǒng)引入的非線性系數(shù)，引入了參量B積分，定義為
公式中，L為傳輸距離，I為光強(qiáng)。B積分描述了脈沖在整個(gè)系統(tǒng)中的SPM效應(yīng)積累的非線性相移量。當(dāng)B積分小于π時(shí)，一般認(rèn)為非線性相移可以忽略，大于π時(shí)，非線性效應(yīng)導(dǎo)致的脈沖質(zhì)量的降低一般不能忽略。為了減小放大系統(tǒng)里非線性相移，一種途徑是把脈沖展的更寬降低峰值功率，一種是增加光纖的模場面積。
展寬壓縮
傳統(tǒng)的CPA技術(shù)使用光柵對-光柵對，光纖-光柵對，作為展寬器和壓縮器。近些年展寬器出現(xiàn)了啁啾光纖光柵，啁啾體布拉格光柵，壓縮器出現(xiàn)了啁啾體布拉格光柵和空心光子帶隙光纖等。各類展寬器和壓縮器都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。光柵對作為展寬器會(huì)引入空間結(jié)構(gòu)，不利于全光纖集成，并且體積大。光纖和光柵對的三階色散無法匹配。空芯光子帶隙光纖，可以利用其波導(dǎo)色散代替?zhèn)鹘y(tǒng)的壓縮器實(shí)現(xiàn)真正的全光纖結(jié)構(gòu)，但是光纖長度很難精確控制，和普通光纖的熔接也是一個(gè)問題。目前啁啾體布拉格光柵最多只能展寬/壓縮500ps的脈沖寬度。
目前最常用的結(jié)構(gòu)是啁啾光纖光柵作為展寬器，啁啾體布拉格光柵或者光柵對作為壓縮器。但是正如上段所述目前啁啾體布拉格光柵最多只能展寬/壓縮500ps的脈沖寬度，光柵對的尺寸和整體壓縮光路的尺寸會(huì)隨色散量的增加越來越龐大。這些都限制了脈沖展寬量。展寬和壓縮的色散補(bǔ)償要精確，飛秒種子脈沖在展寬和放大后如果壓縮時(shí)色散補(bǔ)償不好，會(huì)導(dǎo)致脈沖變寬。啁啾光纖光柵可以通過溫度調(diào)諧和應(yīng)力的方式精細(xì)管理色散，多用于飛秒激光器中，如Teraxion已經(jīng)有成熟的商業(yè)產(chǎn)品。而基于多光子脈沖內(nèi)干涉相位掃描 (MIIPS)，再通過液晶調(diào)制器進(jìn)行相位調(diào)制的技術(shù)，以及聲光可編程色散濾波器（AOPDF, Acousto-opto Programmable Dispersive Filter，或者更常見的名稱Dazzler）等，也可以對脈沖進(jìn)行精細(xì)的色散管理。為了增大光纖的模場面積，同時(shí)保證光束質(zhì)量，人們提出了一些新型的特種光纖。
圖表1 光子晶體光纖結(jié)構(gòu)示意圖
光子晶體光纖的包層由周期性排列的空氣孔組成，可以實(shí)現(xiàn)大模場面積，并且能保持基模狀態(tài)，光束質(zhì)量好，但是價(jià)格昂貴，而且光子晶體光纖的切割，與常規(guī)光纖的熔接，以及與端帽的熔接都是比較困難的工藝問題，棒狀光纖還會(huì)包含比較多的空間結(jié)構(gòu)。CCC光纖除了中心沿軸向分布的大模場纖芯外，還有一條圍繞著主芯呈螺旋分布的側(cè)芯，基模在主芯中傳播不受影響，但高階模式由于諧振耦合到側(cè)芯中，損耗較大無法傳播。
前端為小芯徑光纖，通過拉錐等手段，慢慢過渡到大芯徑的光纖。放大過程中能一直保持近似單模放大，在保證光束質(zhì)量的同時(shí)提高脈沖能量。
CPA 技術(shù)減小了脈沖在光纖中積累的非線性相移, 新型的光纖也提高了光纖飛秒放大器的功率，并且保持了較好的光束質(zhì)量。新型的脈沖展寬和壓縮器也解決了色散失配的問題。但是在光纖CPA系統(tǒng)里，即使展寬系數(shù)很大，放大過程中的非線性相移也很難忽略，脈沖很難避免有基底，再加上受限于增益窄化效應(yīng)，脈沖寬度也很難做到100fs以下。隨著對非線性效應(yīng)研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)非線性效應(yīng)并非百害而無一利，并且提出了幾種非線性放大技術(shù)可以獲得更高質(zhì)量更窄脈寬的飛秒脈沖。2002年Galvanauskas通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)CPA過程中引入適量SPM，能夠補(bǔ)償光纖展寬器和光柵壓縮器的三階色散失配量。
ФSPM為SPM的峰值，ω為頻率，S(ω)為歸一化光譜強(qiáng)度，此時(shí)脈沖具有三次方的非線性相位延遲，所以這種脈沖被稱為立方子(cubicon)。美國IMRA公司的L. Shah等人使用光纖展寬器和光柵對壓縮器，利用三階色散彌補(bǔ)非線性相移的方法，得到了50μJ能量的550fs寬度脈沖，脈沖基底比較干凈，系統(tǒng)中B積分達(dá)到了6π。但是這種方法對色散匹配要求嚴(yán)格，并且只在某個(gè)最佳輸出功率下，B積分才能剛好匹配三階色散的失配量。
自相位調(diào)制積累的非線性相位是與脈沖形狀相同的函數(shù)，如果把脈沖整形成拋物線型狀，那么SPM積累的非線性相位引入的啁啾也變成了線性啁啾，可以通過光柵對體光柵等傳統(tǒng)壓縮器進(jìn)行壓縮。2000年, Fermann等利用改進(jìn)的非線性薛定諤方程計(jì)算發(fā)現(xiàn), 在增益光纖中存在“放大自相似子”，任意形狀的脈沖只要滿足一定單脈沖能量, 都能夠經(jīng)過增益正色散光纖放大得到拋物線脈沖。2007年,Finot等證明利用正色散無源光纖, 也能夠?qū)⒚}沖整形成拋物線型。但是脈沖能量受限于三階色散，增益窄化和受激拉曼散射。脈沖在光纖中的演化過程由自相位調(diào)制、 色散及增益共同決定。如果在種子光被放大前，預(yù)先引入一定量的負(fù)啁啾, 那么脈沖在放大過程中， 自相位調(diào)制和色散共同作用， 光譜會(huì)被更大程度地展寬，這種放大技術(shù)稱作預(yù)啁啾管理。非線性放大技術(shù)(PreＧChirp Managed Amplification, PCMA) 。可以通過計(jì)算最優(yōu)的預(yù)啁啾量, 獲得最佳質(zhì)量的壓縮脈沖。
2021年中科院物理所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理實(shí)驗(yàn)室科研人員，與西安電子科技大學(xué)合作，利用預(yù)啁啾管理技術(shù)，在棒狀光子晶體光纖中實(shí)現(xiàn)了100W、55fs、2.3uJ的飛秒脈沖。
當(dāng)脈沖經(jīng)歷非線性光譜展寬時(shí)，吸收和放大會(huì)主動(dòng)重塑脈沖和增益譜本身。基于此，人們提出了增益管理非線性放大（Gain-Managed Nonlinear Amplifier）技術(shù)。
在Gain-Managed Nonlinear Amplifier放大系統(tǒng)中，非線性造成的光譜變寬被強(qiáng)大的、縱向演化的增益整形所平衡。與增益被認(rèn)為是靜態(tài)的傳統(tǒng)的超快放大器相比，在GMN系統(tǒng)中，增益光譜的演變起著重要的作用。通常情況下，增益管理非線性放大器需要正色散和光譜增益曲線縱向演變的共同作用。在Pavel Sidorenko和Frank Wise 2020年的一篇文章中，他們利用增益管理放大技術(shù)獲得了1μJ，小于40fs的脈沖。目前光纖飛秒激光器有越來越多的新發(fā)展，但是如文中所述，沒有一種光纖飛秒激光放大技術(shù)即可以滿足所有的參數(shù)要求, 同時(shí)又具有簡單的結(jié)構(gòu)和較低的成本。對不同的應(yīng)用，需要做針對性的技術(shù)開發(fā)。
