超快光纖激光在先進制造、生物醫療、高次諧波產生等工業和前沿科學領域具有廣泛的應用。啁啾脈沖放大（CPA）技術是獲得高功率/高能量超快激光的重要手段。隨著包層泵浦技術及大模場面積（LMA）光纖的發展，光纖CPA技術進展迅速，目前已經實現了平均功率千瓦級以及單脈沖能量mJ級的超快激光輸出。

       盡管CPA技術極大地推動了超快光纖激光的發展，但其性能進一步提升仍面臨多重技術瓶頸，脈沖放大過程中的非線性相移累積、模式不穩定效應、系統的色散失配及增益窄化效應等因素對脈沖激光性能優化與保持帶來極大挑戰。如何突破技術瓶頸，研制更高性能的高功率超快光纖激光放大器是科研人員不斷追求的研究目標。國防科技大學周樸研究員、李燦副研究員所在團隊針對超快光纖激光的性能提升，系統梳理了光纖CPA技術的研究進展，全面總結了工作在不同波段的空間結構和全光纖結構CPA系統的發展現狀，并對超快激光相干合成、窄脈寬飛秒激光技術、噪聲抑制以及人工智能賦能CPA技術等前沿方向進行了展望。

       根據光纖CPA構成形式的不同，可將其分為空間結構和全光纖結構兩大類。

1. 基于空間結構的光纖CPA系統

       空間結構多采用光子晶體光纖（PCF）、大孔距光纖（LPF）等特種光纖，該類光纖通常具有特殊的纖芯結構和較大的模場直徑，可有效抑制非線性效應。

       在1 μm波段，德國耶拿大學課題組早在2010年基于大模場摻鐿光纖（EDF）實現了平均功率830 W、脈寬640 fs的高功率CPA系統。功率的進一步提升受限于熱效應所引起的橫向模式不穩定（TMI）效應。獲得的單脈沖能量僅有10.6 μJ。為了降低系統的非線性效應并實現更高能量的超快激光輸出，該課題組在2011年采用自主研制的模場直徑為105 μm的LPF進一步將光纖CPA系統的單脈沖能量提升到了2.2 mJ。近年來，大模場棒狀PCF已實現商業化，并被廣泛用于高能量CPA系統。除耶拿大學外，山東大學、清華大學、NKT Photonics公司、北京工業大學、華東師范大學、多倫多大學、維也納大學等單位也利用棒狀PCF開展了CPA技術的相關研究，并實現了毫焦量級單脈沖能量的超快激光輸出。

       在2 μm波段，一般采用摻銩光纖（TDF）構建高功率激光系統，泵浦源廣泛使用波長0.79 μm的商用LD。然而，較高量子虧損所引起的熱效應制約著2 μm波段CPA技術的發展。在較高銩離子濃度條件下，基于TDF有的能級結構，采用0.79 μm LD泵浦TDF可實現交叉弛豫過程，有效提高了TDF激光器的轉化效率。2018年，耶拿大學課題組采用纖芯/包層直徑為50/250 μm的高摻雜PCF，將摻銩光纖CPA系統的平均功率提升到了千瓦量級（實驗裝置如圖1所示），系統的斜效率達到了61%。

圖1 平均功率千瓦量級的摻銩光纖CPA系統

2. 基于全光纖結構的CPA系統

       大模場棒狀PCF由于難以與普通光纖相熔接，信號的準直及耦合需引入大量的空間光學元件，這在一定程度上增加了系統的復雜性，降低了光纖激光器的穩定性。理想的光纖CPA系統應該是器件之間均采用光纖熔接的方式相連接，僅在壓縮階段引入少量的空間元件。然而，常規光纖因模場直徑有限，易產生強烈的非線性效應，嚴重限制了全光纖結構下超快激光性能的進一步提升。此外，不同的增益光纖在能級結構、非線性特性及熱效應等方面存在差異，使得不同波段的光纖CPA系統在發展路徑與技術挑戰上呈現顯著區別。

       在1 μm波段，目前商用光纖的纖芯直徑一般在30 μm以下，這也成為早期全光纖超快激光系統的主要選擇。2013年，美國PolarOnyx公司基于纖芯/包層直徑為30/400 μm的YDF實現了壓縮前功率為1052 W的全光纖CPA系統，作者分出了3.4%的功率進行了壓縮。此后，國防科技大學、北京工業大學及清華大學等單位，均采用纖芯/包層直徑為30/250 μm的YDF開展了全光纖CPA技術的相關研究，但受限于TMI效應導致的光束質量退化，平均輸出功率限制在300 W以內。2023年，國防科技大學課題組通過級聯CFBG的方式將種子信號展寬至2 ns，顯著降低了放大過程中的峰值功率和非線性效應，將全光纖超快激光的平均功率提升至440.6 W，實驗裝置如圖2所示。此外，縮短光纖長度也可有效降低非線性效應。美國Raydiance公司和俄羅斯等單位采用自行設計的高摻雜YDF均實現了單脈沖能量>60 μJ的超快激光輸出。

圖2 高功率全光纖CPA系統

       以上介紹的全光纖CPA系統一般工作在數kHz到數十MHz的頻率范圍內。近年來，科研人員開始關注更高重復頻率的光纖CPA技術。2025年，華南理工大學采用重復頻率為1.39 GHz的種子源，實現了壓縮前輸出功率達2001 W的全光纖CPA系統。

       在1.5 μm全光纖CPA系統方面，近年來的發展較為緩慢。鉺離子因團簇效應而難以實現高濃度摻雜，且其吸收截面小，嚴重制約了高功率輸出。在EDF中摻雜鐿離子作為激活劑可實現高濃度摻雜并通過能量轉移效應提高泵浦轉換效率，故而鉺鐿共摻光纖（EYDF）成為了1.5 μm波段高功率激光的主流選擇。2022年，山東大學課題組采用纖芯/包層直徑為25/300 μm的EYDF實現了中心波長1560 nm、脈寬474 fs、平均功率13.2 W的超快激光輸出。2023年，俄羅斯普通物理研究所通過在主放大器中級聯EDF和EYDF來提高系統轉換效率，將1.5 μm波段全光纖CPA系統的單脈沖能量提高到了10 μJ量級。

       在2 μm全光纖CPA系統方面，漢諾威激光中心、佛羅里達大學、PolarOnyx公司、北京工業大學、南安普頓大學等單位均開展過相關研究，受限于較低的轉化效率和強非線性效應，獲得的平均功率與PCF相比還有較大差距，一般限制在50 W以下。2023年，國防科技大學課題組實現了基于TDF的百瓦級全光纖CPA系統（實驗裝置如圖3所示）。通過實施高效的熱管理并優化光纖盤繞直徑以增強交叉弛豫過程，該系統在壓縮前獲得了314 W的平均輸出功率。

圖3 基于TDF的百瓦級全光纖CPA系統

1. 超快光纖激光相干合成

       超快光纖激光相干合成技術是突破單路激光功率和能量瓶頸的有效技術手段。采用填充孔徑相干合成技術，已經分別實現了平均功率10.8 kW和單脈沖能量32 mJ的飛秒激光輸出。采用平鋪孔徑相干合成技術，基于61路超快光纖激光放大器，也分別實現了平均功率1.5 kW和單脈沖能量1 mJ的飛秒激光輸出。未來，通過優化單路光源的特性和進一步拓展合成的路數，有望將超快激光的性能推上新的高度。

2. 窄脈寬飛秒激光技術

       圖4匯總了空間結構與全光纖結構兩類高功率、高能量光纖CPA系統的典型輸出脈寬結果，光纖CPA系統難以穩定產生200 fs以下的脈沖，該現象主要源于放大過程中存在的增益窄化效應、非線性相移累積以及高階色散失配等因素。2023年，美國IMRA公司通過光譜預整形和高階色散調控，實現了脈寬為92 fs、單脈沖能量為10 μJ的光纖CPA系統。德國耶拿大學在超快光纖激光相干合成系統中也廣泛采用脈沖整形技術，并實現了平均功率1 kW、單脈沖能量10 mJ和脈沖寬度120 fs的超快激光輸出。除此之外，采用相干光譜合成及非線性壓縮等技術手段，也能實現窄脈寬飛秒激光輸出。未來，通過綜合運用以上技術手段，有望實現系統性能的協同提升。

圖4 光纖CPA系統輸出脈沖寬度典型結果。（a）高功率CPA系統的脈沖寬度；（b）高能量CPA系統的脈沖寬度

3. 低噪聲飛秒激光技術

       隨著光纖CPA技術在精密測量、高次諧波產生、阿秒科學等領域的深入應用，輸出激光的噪聲特性已成為決定系統性能的關鍵指標之一。近年來，光纖光頻梳作為低噪聲種子源顯示出獨特優勢，其具備優異的相位鎖定能力和低時序抖動，為低噪聲放大提供了理想光源。耶拿大學課題組通過相干合成技術已實現了平均功率>1 kW且載波包絡相位穩定的光纖光頻梳。未來，還需進一步深入研究光纖CPA系統中噪聲的產生、傳遞與耦合機制，發展多參數協同反饋控制策略，實現對強度、相位及偏振等多個維度的噪聲同步抑制，有望最終實現兼具高功率/能量與高穩定性的飛秒激光輸出。

4. 人工智能賦能CPA系統

       近年來，人工智能技術（AI）的快速發展，為激光技術注入了新的活力。將AI引入光纖CPA系統，有望進一步推動超快光纖激光放大器性能的突破。首先，可將AI應用于光纖的輔助設計。例如，基于不同的神經網絡模型，研究人員實現了在毫秒量級內對PCF的非線性系數、色散、折射率等參數的快速預測，預測速度較傳統數值計算方法快三個數量級以上，并有望實現PCF的逆向設計。其次，可將AI應用于光纖CPA系統的性能優化。例如，通過引入AI技術，可快速調節種子信號的光譜強度與相位分布，從而實現更優的脈沖整形效果。此外，在超快光纖激光相干合成方面，AI技術有望突破傳統主動相位控制方法的控制帶寬隨陣列單元數量增加而下降的難題，并能實現對系統的相位、延遲、偏振、光束指向等多參數的快速調控。

       隨著CPA技術的快速發展，超快光纖激光已在平均功率、單脈沖能量和峰值功率等方面取得了顯著突破。未來，隨著超快激光應用領域的不斷拓展，對窄脈寬、低噪聲、高穩定性的超快光源需求日益增長，將推動著超快激光的性能參數不斷精雕細琢；與此同時，將AI與光纖CPA技術相結合有望進一步提升系統性能，推動超快激光系統向智能化方向發展。可以預見，隨著新技術、新理念、新器件的不斷提出與進步，將為光纖CPA技術的發展帶來新的機遇，推動超快光纖激光在精密制造、生物醫學、強場物理以及一些特種領域發揮更為重要的作用。

參考文獻： 中國光學期刊網

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