光纤啁啾脉冲时域相干合成技术研究新进展.pdf

强激光物理与技术综述光纤啁啾脉冲时域相干合成技术研究新进展*刘必达，黄智蒙，张帆，夏汉定，周丹丹，李剑彬，郑钧文，张锐，李平，彭志涛，朱启华，胡东霞（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳621900）摘要：脉冲时域相干合成技术主要通过对功率放大后的高重频脉冲序列进行时序合成，从而降低激光的重复频率，有效地提升输出脉冲的峰值功率与能量，避免放大过程中高峰值功率引起的非线性效应。该技术与空域相干合成相结合，能够突破单纤激光的性能极限，实现高能量、高平均功率和高峰值功率的超短脉冲激光输出，具有广阔的应用前景。介绍了超短脉冲光纤激光时域相干合成的基本原理和关键技术，综述了时域相干合成系统的发展历程及其关键技术的研究现状，重点介绍了近年来脉冲分割放大与脉冲相干堆积技术的研究进展，并对时域相干合成的不同技术路线进行了分析与比较，最后对其未来的发展方向进行了梳理，为相关领域的研究提供参考。关 键 词：光纤激光；超短脉冲；时域相干合成；啁啾脉冲中图分类号：TN248文献标志码：Adoi:10.11884/HPLPB202335.230308RecentprogressoftemporalcoherentcombinationofchirpedpulsesinfiberlasersLiuBida，HuangZhimeng，ZhangFan，XiaHanding，ZhouDandan，LiJianbin，ZhengJunwen，ZhangRui，LiPing，PengZhitao，ZhuQihua，HuDongxia（Laser Fusion Research Center,CAEP,Mianyang 621900,China）Abstract：Temporalcoherentcombinationfurtherextendsthepulsedurationbyassemblingmanypulsesinatrain passed through the amplifier into one output pulse,which can improve the peak power and pulse energyeffectivelyandavoidnonlineareffectsexcitedbythehighpeakpowerintheamplification.Spatialandtemporalpulsecombinationcanovercomelimitationsinsinglefiberlaser,potentiallyleadingtohigherpulseenergy,averagepowerandpeakpowerofultrafastpulsescurrentlyonlyavailablefrombulkamplifierswithlowrepetitionrates.Inthispaper,theprinciplesandkeytechnologiesoftemporalcoherentcombinationofultrafastpulsesinfiberlasersareintroduced.Thecurrentstatusoftemporalcoherentcombinationandtheirtechnologiesarereviewed.RecentprogressofDividedPulseAmplification(DPA)andCoherentPulseStacking(CPS)isemphasized.Differenttechnicalwaysarecomparedandanalyzed.Severalfutureperspectivesarepointedout.Thepapercanbeareferenceforresearchontemporalcoherentcombinationofchirpedpulses.Keywords：fiberlaser,ultra-shortpulse,temporalcoherentcombination,chirpedpulse飞秒脉冲具有超短的脉宽、超高的峰值功率，在工业精密加工、生物医药工程、高能量密度物理以及激光粒子加速等领域有着广泛的应用前景。光纤激光具有转换效率高、结构紧凑和光束质量好等优势，近年来得到快速发展。与此同时,兼具高平均功率和高单脉冲能量的飞秒光纤激光更是成为超快激光研究领域中的热点之一1-12。由于光纤非线性效应和热效应的影响，如自相位调制（SPM）13-16、受激拉曼散射（SRS）17-19、自聚焦20-23等以及高功率所引起的光纤损伤和模式不稳定性（TMI）24-30，单纤的功率与能量提升受限。相干合成技术则能够在保持良好的光束质量的同时提升系统性能，是突破单纤性能极限，实现高平均功率、高重复频率、高脉冲能量飞秒激光*收稿日期：2023-09-11；修订日期：2023-10-25基金项目：国家自然科学基金项目(62075201)联系方式：刘必达，。通信作者：黄智蒙，。第35卷第11期强激光与粒子束Vol.35，No.112023年11月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSNov.，2023111001-1输出的必由之路。目前，基于光纤激光相干放大网络概念建造高能高功率激光驱动器是未来重要的发展方向，具有广阔的应用前景。不仅如此，相干合成在高功率光纤飞秒光学频率梳、非线性脉冲压缩以及阿秒光学等领域也有潜在的应用价值31-37。相干合成技术总体上分为三类：空域相干合成38-41、频域相干合成42-46以及时域相干合成47-63。其中，时域相干合成通过对高重频的脉冲序列进行功率放大后，再进行时序合成，从而降低激光的重复频率，提升输出激光的峰值功率和能量，避免低重频激光放大过程中高峰值功率引起的各种非线性效应。本文将系统地介绍超短脉冲光纤激光时域相干合成的基本原理、关键技术和研究进展，分析其发展趋势，着重介绍近年来国内外在此研究领域的新进展，为超短脉冲光纤激光时域相干合成的研究提供参考。1脉冲时域相干合成技术目前光纤啁啾脉冲时域相干合成的技术路线主要有三种：第一种是脉冲分割-放大技术（DPA）47,52-59，第二种是增强腔49,60，第三种是脉冲相干堆积技术（CPS）48,61-63。近年来，国内外取得重要进展的研究单位主要有德国耶拿大学、美国密歇根大学、康奈尔大学、北京大学和清华大学等。另外，时域相干合成与空域相干合成相结合形成的多维相干合成系统，能够实现更高能量和功率的超短脉冲激光输出64-66。1.1脉冲分割-放大技术在脉冲时域相干合成中，较早采用的方法是脉冲分割-放大技术，美国康奈尔大学 FrankW.Wise 课题组于2007 年提出该方法，并进行了实验验证67。其基本原理是将单个脉冲通过一系列偏振分束器、延迟线和波片分割成几个具有不同偏振特性的子脉冲，经过放大后，再经过类似的偏振分束器、延迟线和波片装置进行重新组合，如图 1 所示。该课题组采用掺镱光纤孤子激光器，产生波长 1038nm，重频 47MHz，脉宽 300fs3ps 的脉冲，并利用三块双折射钒酸钇晶体将输入脉冲分割成 8 个子脉冲进行放大，然后再合为 1 个脉冲，实验验证了 DPA 技术及其抑制非线性效应的可行性，由于没有施加相位控制，因此称之为被动式 DPA（PDPA）。(a)DPA principle(b)schematic of the experimentdividerdivideramplifierrecombineroscillatorPBSAMPFRmirrorFig.1SchematicofprincipleandexperimentofDPA67图1脉冲分割-放大技术的原理与实验图67但由于脉冲序列在光纤放大器中存在增益饱和效应，使得各脉冲的峰值功率存在差异。由 SPM 效应引起的非线性相移与脉冲峰值功率有关，这会影响系统合成效率，因此需要对脉冲串中各子脉冲的强度进行调控。然而，被动锁相系统的对称性结构限制了对子脉冲强度的控制自由度，其可合成的脉冲数目受限50,57。另一种解决方案是将脉冲分割和重组分为两个独立的阶段，通过对脉冲强度控制自由度为 N1 的脉冲分割器将一个脉冲分割为N 个脉冲，各脉冲的强度依次增加。该脉冲序列经过放大后，各脉冲的峰值功率和非线性相移基本保持一致，再由一个脉冲合成器件将其合为一束。这样的方案由于放大器中的饱和而引起的脉冲失真可以在更高的脉冲能量下得到补偿。因此可以从单个光纤放大器中提取出更高的脉冲能量。由于脉冲分割和合成采用的是两套器件，需要通过一个主动控制系统对脉冲分割器中各延迟线的光程进行精密控制，确保各子脉冲在相干合成时的光程和相位保持一致，这种类型的 DPA 称为主动式 DPA(ADPA)58。2014 年，德国耶拿大学 MarcoKienel 等人提出了基于主动相位控制（电子频标多抖动法-LOCSET）的 ADPA 技术，将输入脉冲（脉宽 2ns，重频 10kHz）分割成 4 个子脉冲，经过大模场掺 Yb 光纤（1.2m 长，模场直径 MFD 为 75m）进行放大，然后再合为 1 个脉冲，通过主动控制，获得了 2.4mJ 输出，合成效率约 75%，压缩后单脉冲能量为 1.25mJ，脉宽 380fs，峰值功率为 2.9GW58。为了扩展可合成脉冲的数目，需要对每个子脉冲的幅度与相位进行高效控制，并且减小合成系统的体积与复强激光与粒子束111001-2杂度。2017 年，德国耶拿大学 JensLimpert 课题组提出了光电控制的 DPA 技术(EDPA)47。该技术通过预先设置每个脉冲的相位与幅度，既可以保持较高合成效率，又能够显著地降低系统的复杂性。其原理如图 2 所示，光纤振荡器输出种子光里面包含 4 个 p 方向线偏振的子脉冲，该光束经过幅度调制器后被分为两束，每束光经过相位调制器后，其所包含的子脉冲相位被分别设为 0 或，再经过半波片旋转后进入光纤放大器进行功率放大，输出的两束光合成为一束光，里面 4 个子脉冲的偏振态相互正交，再通过旋转半波片和两级延迟线合成为 1 个脉冲。(a)simplified representation of the combination of four pulses(b)generation of the polarization and phase patternpulse combiningpszppsszzpsz4321432143214321PBS 1PBS 2DL 1DL 2HWP45pulse divisionpolarization pattern generationpolarization pattern decompositionpszp000000000szp000szpszpszpszampamp90psz45Fig.2PrincipleofEDPAsystem47图2EDPA 系统原理图47该课题组设计并研制了基于 EDPA 的四脉冲时域合成系统47，如图 3 所示，光纤振荡器，中心波长为 1030nm，重频 108MHz，脉宽 190ps，经过声光调制器（AOM）后，产生了包含 4 个子脉冲的脉冲串，然后光束被分为两路，经过相位调制器（EOM）后，所含子脉冲的相位被分别设置为 0、0、0 和、0、0、0，两束光再分别通过 6m 保偏光纤放大器后，平均功率放大到 300mW，经过 PBS，波片组（/4 波片，/2 波片）后，在空间上合为一束光，里面包含4 个偏振态相互正交的子脉冲，接着进入两级延迟线合成为 1 个脉冲。keyp-polarizations-polarizationphase pattern generationcombining stage0 00QWP0 00oscillatorPDAOMAWGAWGEOMPBSHWPloss portPDswitchLOCSETcomb.portEOMsynchronouscountdownfiberamplifierspiezo-mountedmirrorsFig.3SchematicillustrationoftheEDPAsetupusedforthecombinationoffourtemporallyseparatedpulses47图3用于四个分割脉冲时域合成的 EDPA 系统示意图47利用电子频标多抖动法（LOCSET）和压电驱动的反射镜控制脉冲的相位，从而实现高效时域相干合成输出，脉冲串重频为 135kHz，合成单脉冲能量为 3.4J，系统合成效率（包含光学元件损耗）达到 82.7%，脉冲对比度约 27.3dB。为验证合成系统的可扩展性，又加入了一级延迟线，实现了 8 个子脉冲时域相干合成，脉冲串的重频为 1075kHz，系统合成效率达到 76.8%。刘必达，等：光纤啁啾脉冲时域相干合成技术研究新进展111001-32020 年，北京大学张志刚教授课题组基于 EDPA 技术，实现了 128 个脉冲的时域相干合成59。如图 4 所示，利用 7 级延迟线、压电驱动的反射镜和 SPGD 算法实现了 128 个子脉冲的时域相干合成，合成效率为 35%59。(a)configuration of the experimental setup for seven stage pulse combination(b)intra-burst pulse train:before stacking(black);after stacking(red)locking frepAWG1 GHz rep ratefemtosecond laserpulsestretcheramplitudemodulatorcoupler50:50phasemodulatorphasemodulatorpulsecmpressorfiber amplifiersPZMphotodetectorphotodetectorservosystemSHG1.00.80.60.40.2033.7567.50101.25135.00168.75202.50236.25270.00time/nsintensity/a.u.Fig.4Experimentalresultsoftemporalcombinationsystemof128pulsereplicasbasedonEDPAsetup59图4基于 EDPA 的 128 脉冲时域相干合成系统实验结果59与 ADPA 相比，EDPA 的光学系统复杂性大大降低，可以对脉冲串的幅度进行预整形以补偿增益饱和效应，还能够对脉冲串中各子脉冲的相位进行调制，在实验中，展现出了较高的合成效率，并且拥有高脉冲对比度和稳定性，具有向多脉冲扩展的潜力。随着对高功率高能量飞秒激光系统的不断追求，空域与时域相结合的多维相干合成技术已是大势所趋。2019 年，德国耶拿大学 JensLimpert 课题组利用多维相干合成（12 路光子晶体光纤空域相干合成与 8 个子脉冲时域相干合成-EDPA），实现了平均功率 674W，单脉冲能量 23mJ，脉冲宽度 235fs 的单模输出65。如图 5 所示，系统的预放大前端包括振荡器、展宽器、脉冲整形器和两级声光调制器(AOM)。种子源输出中心波长 1030nm，重频 80MHz 的飞秒脉冲，经过声光调制器（AOM1）产生重频为 1MHz，包含 8 个子脉冲的脉冲串，然后展宽到 1.9ns。光束经过脉冲整形器与声光调制器（AOM2），进一步降重频，并对脉冲进行预整形以补偿放大过程中的增益饱和效应。光束被分为两路分别注入两个独立的电光调制器(EOM)进行相位调制，以产生不同相位分布（0、0、0、0、和 0、0、0、0、0、0）的 8 个子脉冲。PBS 合成后的脉冲序列经过预放，被空间上均分为 12 束，分别注入 12 个光纤放大器进行放大，之后利用 HC 探测模块（Hnsch-Couillaudpolarizationdetectionmethod）、压电驱动反射镜与偏振器件实现了 12 束光的光程、相位闭环控制与空域偏振相干合成，空间合成后的光束仍包含时域上的 8 个子脉冲。通过之前的相位设置与旋转半波片（HWP），形成具有相应偏振正交关系的脉冲组合。随后该脉冲串进入由三级延迟线构成的时域相干合成系统。通过基于电子频标法（LOCSET）的EDPA 技术，实现了 8 个子脉冲的时域相干合成，平均功率为 674W，脉冲能量为 23mJ，空域合成效率约 71%，时域合成效率约 85%，多维合成效率约 56%，脉冲对比度约 15dB，压缩后脉冲宽度为 235fs65。2023 年，德国耶拿大学 Limpert 课题组利用多维合成系统（16 路光纤空域相干合成与 8 个子脉冲时域相干合强激光与粒子束111001-4成-EDPA），实现了平均功率 703W、单脉冲能量 32mJ、脉冲宽度 158fs、光束质量 M2=1.2 的飞秒相干合成输出66。如图 6 所示，光纤振荡器输出重复频率 80MHz、中心波长 1035nm 的锁模脉冲，经过啁啾光纤布拉格光栅（CFBGs）后展宽到 ns 量级，接着经过脉冲整形器（FDPS）、声光调制器（AOM1），产生包含 8 个子脉冲的脉冲串，重频降为 400kHz，然后经过第二级 CFBG 展宽到 10ns，再通过声光调制器（AOM2）后重频降为 20kHz，与此同时对脉冲串进行预整形。此后，光束被分为两路，分别进入电光调制器（EOM），对 8 个子脉冲进行相位设置，以产生不同的相位分布。光束被进一步分为两组，每组 8 路进行放大，主放大级光纤采用 105cm 长，MFD 为 62m 的大模场掺镱光纤，之后利用 HC 探测模块、压电驱动反射镜与偏振合束器件分别实现了两组光束（每组 8 路）的光程、相位闭环控制与空域偏振相干合成，空间合成后的两组光束仍包含时域上的 8 个子脉冲。(a)simplified setup for spatiotemporal combinationof 12 parallel main amplifiers and eight temporalpulse replicas(b)burst after main amplificationat fburst=25 kHz(c)photodiode trace of the spatiotemporallycombined signal(d)autocorrelation traces of theindividual pulsesoscillatorstretcherAOM 1EOM 1EOM 2AOM 2pulseshaper00 0 0 0 0TFPHWPPBS0000 6 parallel main ampspreamp stages6 parallel main amps7.5 m DL15 m DL3.75 m DLROC=1.5 md=44 cmROC=6 md=45 cmROC=15 md=74 cmTFPPMtemporalcombinationstagepowermeter90%10%loss portcompressor1.00.80.60.40.201.00.80.60.40.20normalized power1.00.80.60.40.20normalized power1005021012050100time/ns10050050100time/nsAC signaldelay/pspulse 1pulse 2pulse 3pulse 4pulse 5pulse 6pulse 7pulse 8Fig.5ExperimentalresultsofspatiotemporalcombinationsystembasedonEDPAsetup65图5基于 EDPA 的时域与空域相干合成系统实验结果65(a)schematic of the setup(b)shapes of the burst before(red)and after(blue)main amplification(c)spatiotemporally combinedoutput signal(d)spectrum of the spatiotem-porally combined signal(e)auto-correlation measurementof the compressed pulse in blueand the fourier transform limit(FTL)in redoscillator CFBGsCFBGsFDPS AOM 1AOM 2EOM 1EOM 20 0 0 00 000 0 08 main amplifierspreamplifierspreamplifiers8 main amplifiersintensity splitterspulses to delaypulses without delay1 2 3 4 5 6 7 8DL 1DL 2DL 3loss port1331view from left side on MDC mirrors1 2 3 4 5 6 7 8CPA compressor42241.00.80.60.40.200102030405060normalized PD voltagenormalized spectral power/dB100 500501001 010 1 020 1 030 1 040 1 050 1 060time/ns1.00.80.60.40.20normalized PD voltage1.00.80.60.40.20normalized SHG signal100 50050100time/nsseedamplifiedwavelength/nm21012delay/psmeasurementFTLFig.6Experimentalresultsofspatiotemporalcombinationsystemwithapulseenergyof32mJbasedonEDPAsetup66图6基于 EDPA 的 32mJ 时域与空域相干合成系统实验结果66刘必达，等：光纤啁啾脉冲时域相干合成技术研究新进展111001-5随后，两组光束进入由三级延迟线构成的相干合成系统。采用电子频标法（LOCSET），实现了两组（共 16 路光束）空域相干合成以及 8 个子脉冲的时域相干合成（EDPA）。最终获得了平均功率为 703W、单脉冲能量 32mJ的输出，空域合成效率为 86%，时域合成效率为 90%，多维合成效率提升到 77%，脉冲对比度为 18dB，实现了优异的波束和脉冲质量，峰值功率达到 202.53GW66。这也是目前光纤飞秒多维相干合成的最高能量输出纪录。1.2增强腔技术2014 年，耶拿大学 SvenBreitkopf 等人提出利用 StackandDump（SnD）型增强腔进行脉冲时域相干合成49，如图 7 所示。该技术实质上是利用环形增强腔实现脉冲序列的相干叠加，降低脉冲重频，提升脉冲能量。这种高精细度腔的核心器件是一个腔倒空开关，该开关必须满足低损耗、高阈值和快速响应的要求。图 8 所示为基于调制盘实现脉冲导出的示意图，通过外部时钟控制实现调制盘旋转频率的稳定与脉冲的同步，当腔内堆叠到第 N 个脉冲时，堆叠脉冲正好由调制盘上的反射镜导出腔外49-50。(a)basic principle of a stack-and-dump enhancement cavityon the incoming pulse numberinput pulse trainenhancement cavity output pulse trainfrepfswitchICHRHRHRswitch60050040030020010002004006008001 000 1 200 1 400stored energy/a.u.pulse numberno dumpingSnDsteady statedumpingstackingone stacking periodTstack=1/fswitch(b)stored energy within the cavity in dependenceFig.7Stackanddumpenhancementcavity49图7堆积与倒空增强腔49(a)concept of a chopper-wheel employed as a pulse dumperfor cavity enhancement(b)top view on the grazing-incidence reflection of the ellipticallyshaped beam spot on one of the mirror-segments665th pulse666th pulse667th/1st pulse666th pulsemirror segmentmirror segmentoutputrotation axisrotation axisrotation axischopper wheelchopper wheelzyxoutputmirror segmentchopper wheeld1Fig.8Schematicofachopper-wheel49图8调制盘示意图492016 年，该课题组 S.Breitkopfl 等对基于 SnD 型腔的脉冲时域相干合成方案进行了实验设计与验证60，如图 9所示，注入激光的中心波长为 1038nm，平均功率 30W，重复频率 10MHz，单脉冲能量 3J，展宽后脉宽为 1.5ns，进入长 30m 的增强腔，在脉冲串的重频为 30kHz 时，实现了 100 个子脉冲的时域相干合成，增强因子达到 65，单脉冲能量约 0.16mJ，脉冲宽度为 800fs60。由于 AOM 的衍射效率有限，一部分脉冲仍留在空腔内。该实验中选用的腔倒空开关是声光调制器（AOM），上升沿时间为 110ns/mm，衍射效率 72%。声光的非线性效应限制了能量增益效率的提升，另外开关器件的损伤阈值会限制脉冲能量的增长，因此开关器件的设计与制备是堆积-倒空腔相干合成技术的关键。强激光与粒子束111001-61.3GTI 腔相干脉冲堆积技术基于 GTI 腔（Gires-Tournoisinterferometers）的脉冲相干堆积技术于 2015 年由美国密歇根大学 ZhouTong 等人提出48。inAncavAnoutAn图 10 所示为基于 GTI 腔的脉冲堆叠工作原理。假设 N 个脉冲注入到单个 GTI 腔内，环形腔的腔长 L=cT，T 为脉冲周期，c 为光速。对于第 1 个脉冲，脉冲到达 R1 的反射镜时，一部分光反射输出，另一部分进入腔内。对于第 n 个脉冲（n=2、3、N1），该脉冲()和腔内的脉冲()同时到达反射镜 M，两个脉冲在此发生相干相消，此时输出脉冲（）的振幅为 0，脉冲能量被堆叠到腔内。当第 N 个脉冲到达反射镜 M 时，与腔内脉冲发生相干相长，所有的能量输出腔外。output stacked pulse:outp(t)=ps(t)ei(0t+0)0tps(t)input stacking pulse burst:inp(t)=inpn(t)=inAn ps(t+nT)ei0(t+nT)n=0n=0n=3n=2n=1n=0T0tinp3(t)inp2(t)inp1(t)inp0(t)=inA0 ps(t)ei0toutAninAncavAnM(R1)M1(R11)Mk(Rk1)GTI resonant cavity.Fig.10Coherentpulsestackinginatraveling-waveGires-Tournoisinterferometer48图10行波 GTI 腔中的脉冲相干堆积48为了进一步提高脉冲堆叠的数目与能量，研究人员提出了级联 GTI 腔的方法，如图 11 所示，采用 m 个腔长相等(L1=cT)的 GTI 腔进行级联，可以实现 2m 个脉冲的堆叠。如果再采用 m 个腔长为 L2=2mcT 的 GTI 腔进行组合，(a)schematic of the enhancement cavity(b)exemplary measurement of the entire pulse build-up within theEC using an AOM with a switching rate of 100 kHz(100 stacked pulses)(c)photodiode signals of the intracavity pulse(red)and of the outputpulse(blue)for a switching rate of 30 kHz108126144162enhancement cavityAOM9outputpowermetercamPD3PD2PD1analysisgrating71151331511.00.80.60.40.201234567891011normalized amplitude/a.u.time/sintra-cavity signalAOM output9060754530150100200300400500600700800900 1 000enhancementtime/nsintra-cavity signalAOM outputFig.9SetupofSnDenhancementcavityanditsexperimentalresults60图9SnD 增强腔及其实验结果60刘必达，等：光纤啁啾脉冲时域相干合成技术研究新进展111001-7就能实现总数目为 2m2m=4m2的脉冲堆叠48。2016 年，该课题组使用 4+1GTI 腔（4 个三角形腔+1 个 Herriot 腔）62，实现了 27 个脉冲时域相干堆积，如图 12所示，放大后的光束进入 4+1GTI 腔进行相干堆积，由于没有执行光腔相位的闭环控制，堆积效率仅为 50%，脉冲对比度约 8dB，压缩后脉冲宽度为 330fs。(a)four+one cavity multiplexing experimental setup(b)experimental results of multiplexed 4+1 stacking(c)autocorrelation of the input pulse train,output stacked pulse,and bandwidth limited pulseoutput beamcompressorSHGcrystalVISdetectorADCDACSPGDalgorithm40cmmode-locked laser+1 GTI4 GTI cascadeAM&PMstretcherfiberampsR=41%GTI 3R=69%GTI 2R=59%GTI 1R=59%GTI 4R=69%60 cminput beam1.00.80.60.40.202520151050normalized peak powertime/nsinputoutput1.00.80.60.40.203210123normalized autocorrelationtime/psbandwidth limitinputstacked outputpulseduration330 fs9 ns T.1 ns T.1 ns T.Herriott-folded GTI1 ns T.1 ns T.Fig.12Coherentpulsestackingof27pulsesina4+1GTIresonatorsequence62图124+1GTI 腔中的 27 个脉冲相干堆积622017 年，该课题组设计了 4+4GTI 腔（4 个三角形腔+4 个 Herriot 腔）63，实验实现了 81 个脉冲时域相干堆积，如图 13、图 14 所示，锁模光纤激光器输出中心波长为 1030nm，重复频率 1GHz，脉冲宽度 64fs 的锁模脉冲，通过幅度调制器（AM）和相位调制器（PM），产生了包含 81 个子脉冲的脉冲串，脉冲的幅度与相位均经过调制。接着经过放大器、展宽器，脉冲宽度展宽为 1ns，然后光束进入光纤放大器进行功率放大。光束通过第 2 个声光调制器（AOM）之后，脉冲串的重频降为 1kHz。放大后的光束（单脉冲串的能量为 2mJ）进入 4+4GTI 腔进行相干堆积。由于振荡器载波频率的漂移，SPGD 算法无法实现光腔相位的锁定，而脉冲堆积对腔相位的变化非常敏感，造成脉冲在前腔镜上没有完全相干，堆积效率只有 35%，脉冲对比度为 7dB。2018 年，清华大学许逸伦等搭建了 2+1GTI 腔，在 98kHz 的重频下，15 个脉冲的能量堆积到 1 个输出脉冲上，峰值功率放大倍数为 11，达到了理论值的 92%。相干堆积效率为 76%，接近 80%的理论值，实验得到的伴随脉冲对比度为 14dB68-69。2021 年，美国密歇根大学 AlmantasGalvanauskas 教授课题组利用一种双循环稳定优化算法对光腔和子脉冲的相位进行控制，实现了堆叠轮廓的自适应优化控制和高保真相干脉冲叠加70。实验中，4+4GTI 腔中的 8 个入射前腔镜均采用压电陶瓷驱动，并对其进行稳定控制，如图 15 所示，81 个脉冲相干堆积效率提高到 70.5%70。k=1k=2k=mk=m12 m pulse burst input4 m2 pulse burst input2 m pulse burst between multiplexingstackedpulsestackedpulse(a)m-GTI cascade(a)mm GTI multiplexFig.11CascadedGTIcavities48图11级联 GTI 腔48强激光与粒子束111001-81.4人工智能技术应用于脉冲时域相干合成在时域相干合成中，传统的控制方法主要有 SPGD 和 LOCSET。其中，SPGD 会陷入局部极值，无法保证全局最优解，另外诸如学习速率 这样的算法参数需要手动设置，不便于实际应用。在多级时域合成中，LOCSET 也会3 m25 mLMALMA pumpcombinerpumpdiodepumpdiodepumpdiodeisolatorisolatorisolatorAOMstretcherAOMSMFASMFAAM&PMmodulated burstmode-lockedlaser0.6 m 85 m CCC1.2 m 85 m CCCoutput stacked pulsecompressorstabilization+4 GTI cascade4 GTI cascadeamplified burstFig.13Coherentpulsestackingof81pulsesina4+4GTIresonatorsequence63图134+4GTI 腔中的 81 个脉冲相干堆积63(a)simulated experimental conditions for the input pulse intensityand phase profile for pulse stacking using 4+4 GTIs(b)experimental pulse stacking results using 4+4 GTIsat 1 kHz with 2 mJ total burst energy1.00.90.80.70.60.50.40.30.200.1normalized intensity80 70 60 50 40 30 20 1001020tim