封面以色彩漸變的多束光纖為載體，展示了飛秒脈沖在各個獨立通道中經(jīng)歷色散展寬與功率放大的過程。下方整齊排列的紅色脈沖串描繪了脈沖在時間軸上的調(diào)控；多通道中的脈沖在放大后通過空間相干合束，最終在圖右側(cè)堆疊成塔狀高能脈沖，寓意時域堆積對脈沖能量的進(jìn)一步提升。整體構(gòu)圖形象展現(xiàn)了“時空相干合成"的物理機(jī)制。值此啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)發(fā)明四十周年之際，脈沖的時空相干合成被視為突破CPA能量瓶頸的重要路徑之一，其在兼顧高重復(fù)頻率與高單脈沖能量方面的研究價值與發(fā)展?jié)摿︼@著。

一、四十年跨度，激光科學(xué)新考題

1985年，啁啾脈沖放大（CPA）技術(shù)被提出，為飛秒激光安全放大奠定了基礎(chǔ)，并推動其從實驗室走向強(qiáng)場物理、生命科學(xué)和先進(jìn)制造等多個前沿領(lǐng)域。其技術(shù)原理頗為巧妙：先將超短激光脈沖在時間上拉長，降低瞬時功率，隨后在安全狀態(tài)下進(jìn)行放大，再壓縮回飛秒脈寬，恢復(fù)其超高峰值功率，就像拉伸一根彈簧后再快速釋放。CPA有效避免了峰值功率過高所導(dǎo)致的非線性效應(yīng)與光學(xué)損傷。但四十年過去，人們對激光的期待已經(jīng)不再只是“單次沖擊"，而是以更高頻率持續(xù)輸出、兼顧強(qiáng)度與穩(wěn)定。這對CPA提出了新挑戰(zhàn)：單通道結(jié)構(gòu)在追求更高重復(fù)頻率和更大輸出能量時，常常受限于非線性累積、熱效應(yīng)和光學(xué)元件的損傷閾值。

于是科研人員開始另辟蹊徑：既然一條通道承載有限，不如將激光劃分為多個并行通道，各自放大后再精準(zhǔn)合成。就像建高樓，不靠一根柱子獨撐，而是將每塊磚穩(wěn)穩(wěn)鋪好，再逐層堆砌。這種思路催生了一項關(guān)鍵新技術(shù)：時空相干合成。

二、激光“拼圖"：從分身到合體

“時空相干合成"核心理念很簡單：不靠一條“大路"，而是把激光分成許多“小路"，在時間、空間、甚至頻率上各自放大，再疊加回一束強(qiáng)大的光。

空間合束：多路激光匯成一道光。通過精密的相位控制，科研人員使多路激光在空間上干涉疊加，最終形成一束與單通道輸出幾乎無異的高質(zhì)量相干光束。德國耶拿大學(xué)Limpert團(tuán)隊于2020年搭建了12路大模場光纖空間相干合束（CBC）系統(tǒng)，最終獲得脈寬為254 fs、重復(fù)頻率為80 MHz、平均功率為10.4 kW的飛秒脈沖輸出，憑借填充孔徑方案刷新了當(dāng)時飛秒激光的平均功率紀(jì)錄。同年，法國巴黎理工大學(xué)的Chanteloup團(tuán)隊采用平鋪孔徑結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了61路CBC，如圖1所示，獲得了平均功率約為1 kW、重復(fù)頻率為2 MHz、脈寬為257 fs的脈沖輸出，對應(yīng)單脈沖能量約為500 μJ，這是超多通道相干合束技術(shù)的重要突破。國內(nèi)在該領(lǐng)域也取得了顯著進(jìn)展。物理研究所、華中科技大學(xué)、國防科技大學(xué)等團(tuán)隊在2到16通道的合束實驗中，實現(xiàn)了超700 W的平均功率。

圖1 法國巴黎理工大學(xué)61路平鋪孔徑相干合成實驗裝置圖

時間堆積：類似在時間軸上精準(zhǔn)排隊，通過延遲線或腔結(jié)構(gòu)等方式將多個子脈沖錯時排列、精準(zhǔn)重疊，最終疊加成一個高能脈沖包。這要求每個子脈沖的時間、強(qiáng)度和相位控制得極其精準(zhǔn)，誤差必須比光波還小。美國密歇根大學(xué)在這方面走在前列，實現(xiàn)了81個脈沖堆積，輸出達(dá)25 mJ，如圖2所示。北京大學(xué)團(tuán)隊則較早開展了相關(guān)實驗，在國內(nèi)實現(xiàn)256個脈沖的堆積，為大通道數(shù)系統(tǒng)設(shè)計提供了先導(dǎo)性驗證。

圖2 美國密歇根大學(xué)與LBNL 4路空間合成、81個脈沖時域堆積實驗裝置圖

時空合成：空間+時間的“雙管齊下"。將空間合束和時間堆積結(jié)合，就像在多個舞臺上排練不同樂章，最終在同一個樂譜下同步演奏，形成一場能量與節(jié)奏高度統(tǒng)一的光脈沖交響樂。2023年，德國耶拿大學(xué)完成了一次典型示范（圖3），16路空間合束×8個時間脈沖，輸出32 mJ、20 kHz、158 fs的飛秒激光，刷新了多個維度記錄。

圖3 德國耶拿大學(xué)16路空間合成、8個脈沖時域堆積實驗裝置圖

除了相干合成，激光技術(shù)的“進(jìn)化賽道"上還涌現(xiàn)出一系列探索性或混合型的創(chuàng)新思路。如光學(xué)參量啁啾放大（OPCPA）技術(shù)，憑借超寬帶寬和少周期脈沖壓縮能力，在生成極短脈沖方面具有天然優(yōu)勢；而碟片激光器則以其高效率和優(yōu)良散熱結(jié)構(gòu)，在提升平均功率上表現(xiàn)突出。不過，這兩條路線也各有短板：OPCPA系統(tǒng)對泵浦光源要求，難以平衡高重復(fù)頻率與系統(tǒng)穩(wěn)定性；碟片激光目前則受限于增益帶寬，壓縮到超短脈寬存在難度，且在保持光束質(zhì)量和脈沖能量的同時面臨系統(tǒng)復(fù)雜性挑戰(zhàn)。放眼未來，這幾條技術(shù)路徑可能不會是彼此競爭的對立面，而是互為補(bǔ)充、協(xié)同融合，共同支撐新一代超快激光平臺的構(gòu)建。

三、未來可期：激光合成，拼的不只是光

如今的飛秒激光早已不只是“一束光"，而演變?yōu)橐粋€高度復(fù)雜的超快光學(xué)系統(tǒng)。在時空相干合成中，控制每個通道的激光強(qiáng)度、相位、時間對齊都需要精準(zhǔn)。就像指揮一個多聲部交響樂團(tuán)，每個“演奏員"都得跟上節(jié)奏、合好拍。要讓這樣一個“多聲部樂團(tuán)"協(xié)調(diào)運作，離不開背后日益強(qiáng)大的電子控制系統(tǒng)。高帶寬的相位調(diào)制器、高速的電光器件、AI驅(qū)動的實時反饋算法……這些看不見的電路，才是讓光脈沖“聽話"的幕后英雄。

展望未來，數(shù)十乃至上百通道的空間合束、數(shù)百個脈沖的時域堆積，以及頻譜維度的協(xié)同合成，正飛秒激光從“架構(gòu)構(gòu)想"走向可實現(xiàn)的“系統(tǒng)能力"。通過多維協(xié)同控制，有望突破傳統(tǒng)單通道放大的瓶頸，全面釋放光場的系統(tǒng)潛力。如果說CPA技術(shù)曾開啟飛秒激光邁入PW級峰值功率時代，推動其進(jìn)入場物理的應(yīng)用階段，那么今天的時空相干合成，則正在飛秒激光邁向“系統(tǒng)化架構(gòu)"階段。正如封面圖所示，可擴(kuò)展的脈沖數(shù)在時間和空間中協(xié)同演化，最終匯聚為一束高能量的光脈沖塔。它不僅是光的疊加，更展現(xiàn)出飛秒激光通過多通道協(xié)同邁向高能、高頻、高穩(wěn)定的新路徑。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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