华中科技大学突破单光纤激光放大器的极限：260 fs、403 W 相干合束光纤激光器

高功率、高能量的超快光纤激光器是从基础科学研究、应用科学研究到工业加工等各个领域不可或缺的工具。然而，由于热效应、非线性效应等原因，单个光纤激光放大器的功率/能量扩展总是有限的。相干合束（CBC）技术是突破单光纤激光放大器限制并进一步实现功率/能量扩展的有效策略。在相互相干和相位关系稳定的条件下，多束激光可以叠加并相互干涉。这种方法可以提高平均功率和脉冲能量，提高的幅度几乎等于合束通道的总数。然而，随着合束通道的增加，CBC 系统的复杂性也随之增加，从而带来负面影响，如合束效率降低、光束质量下降、系统操作难度增加等。

华中科技大学超快光学实验室张庆斌教授、陆培祥教授团队报告了利用填充孔径相干合束技术实现平均输出功率为 403 W、脉冲能量为 0.5 mJ、时间为 260 fs 的超快光纤激光系统。在确保良好功率稳定性（RMS <0.5%）的同时，还实现了优异的光束质量（M2 <1.2）。这项题为 《260 fs, 403 W coherently combined fiber laser with precise high-order dispersion management》的研究成果发表在《Frontiers of Optoelectronics》上。

图1：实验装置示意图概览。LD 激光二极管，WDM 波分复用器，ISO 隔离器，AOM 声光调制器，TPSR 可调脉冲展宽器，M 反射镜，HWP 半波片，QWP 四分之一波片，PZ 压电驱动反射镜，L1、L2 种子光耦合透镜，L3、L4 泵浦光耦合和种子光准直透镜，TFP 薄膜偏振片，LW 激光窗口片，BE 扩束镜，PM 功率计。资料来源：彭双喜等人，《260 fs, 403 W coherently combined fiber laser with precise high-order dispersion management》，《Frontiers of Optoelectronics》（2024）。

通过利用集成电子色散硬件，对光栅压缩后高阶色散的不完全补偿进行了有效补偿，在优化脉冲宽度的同时，还实现了脉冲质量的卓越改善。此外，CBC 每个通道的平均工作功率超过 230 W，简化了系统的复杂性和操作难度。

图2：a. 在 30 s的时间尺度内测量综合平均功率，显示RMS为 0.3%。b. 在 30 s的时间尺度内测量相位误差 Δφ ，显示RMS值为67 mrad，对应的光程差波动为 λ/94。资料来源：彭双喜等人，《260 fs, 403 W coherently combined fiber laser with precise high-order dispersion management》，《Frontiers of Optoelectronics》（2024）。

图3：a.  高阶色散补偿前压缩脉冲的反演脉冲包络（蓝色）和相位（橙色）。黑色破折号是根据测量频谱计算出的傅立叶变换极限脉冲。b. 高阶色散补偿前压缩脉冲的测量光谱（黑色）、反演光谱（蓝色）和反演相位（橙色）。c.  高阶色散补偿前测量的 SHG-FROG 曲线。d. 高阶色散补偿后压缩脉冲的反演脉冲包络（蓝色）和相位（橙色）。黑色破折号是根据测量光谱计算出的傅立叶变换极限脉冲。e. 高阶色散补偿后压缩脉冲的测量光谱（黑色）、反演光谱（蓝色）和反演相位（橙色）。f.  高阶色散补偿后测量的 SHG-FROG 曲线。资料来源：彭双喜等人，《260 fs, 403 W coherently combined fiber laser with precise high-order dispersion management》，《Frontiers of Optoelectronics》（2024）。

图4：a. 合束光束的 M2 测量。嵌图显示了强度曲线。b. 单通道和合束脉冲的光谱。资料来源：彭双喜等人，《260 fs, 403 W coherently combined fiber laser with precise high-order dispersion management》，《Frontiers of Optoelectronics》（2024）。

未来，仅使用四通道相干合成有望将功率提高到 kw 级，脉冲能量提高到 mJ 级。

参考文献：彭双喜等人，《260 fs, 403 W coherently combined fiber laser with precise high-order dispersion management》，《Frontiers of Optoelectronics》（2024）。