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技术文章
飞秒激光合成，从单通道走向多维协同
点击次数：1219 发布时间：2026/1/27 18:10:13
以色彩渐变的多束光纤为载体，展示了飞秒脉冲在各个独立通道中经历色散展宽与功率放大的过程。下方整齐排列的红色脉冲串描绘了脉冲在时间轴上的调控；多通道中的脉冲在放大后通过空间相干合束，最终在图右侧堆叠成塔状高能脉冲，寓意时域堆积对脉冲能量的进一步提升。整体构图形象展现了“时空相干合成”的物理机制。值此啁啾脉冲放大（CPA）技术发明四十周年之际，脉冲的时空相干合成被视为突破CPA能量瓶颈的重要路径之一，其在兼顾高重复频率与高单脉冲能量方面的研究价值与发展潜力显著。
一 四十年跨度，激光科学新考题
1985年，啁啾脉冲放大（CPA）技术被提出，为飞秒激光安全放大奠定了基础，并推动其从实验室走向强场物理、生命科学和制造等多个前沿领域。其技术原理颇为巧妙：先将超短激光脉冲在时间上拉长，降低瞬时功率，随后在安全状态下进行放大，再压缩回飞秒脉宽，恢复其超高峰值功率，就像拉伸一根弹簧后再快速释放。CPA有效避免了峰值功率过高所导致的非线性效应与光学损伤。但四十年过去，人们对激光的期待已经不再只是“单次冲击”，而是以更高频率持续输出、兼顾强度与稳定。这对CPA提出了新挑战：单通道结构在追求更高重复频率和更大输出能量时，常常受限于非线性累积、热效应和光学元件的损伤阈值。
于是科研人员开始另辟蹊径：既然一条通道承载有限，不如将激光划分为多个并行通道，各自放大后再合成。就像建高楼，不靠一根柱子独撑，而是将每块砖稳稳铺好，再逐层堆砌。这种思路催生了一项关键新技术：时空相干合成。
二 激光“拼图”：从分身到合体
“时空相干合成”核心理念很简单：不靠一条“大路”，而是把激光分成许多“小路”，在时间、空间、甚至频率上各自放大，再完美叠加回一束强大的光。
空间合束：多路激光汇成一道光。通过精密的相位控制，科研人员使多路激光在空间上干涉叠加，最终形成一束与单通道输出几乎无异的高质量相干光束。德国耶拿大学Limpert团队于2020年搭建了12路大模场光纤空间相干合束（CBC）系统，最终获得脉宽为254 fs、重复频率为80 MHz、平均功率为10.4 kW的飞秒脉冲输出，凭借填充孔径方案刷新了当时飞秒激光的平均功率纪录。同年，法国巴黎理工大学的Chanteloup团队采用平铺孔径结构实现了61路CBC，如图1所示，获得了平均功率约为1 kW、重复频率为2 MHz、脉宽为257 fs的脉冲输出，对应单脉冲能量约为500 μJ，这是超多通道相干合束技术的重要突破。国内在该领域也取得了显著进展。中国科学院物理研究所、华中科技大学、国防科技大学等团队在2到16通道的合束实验中，实现了超700 W的平均功率。
图1 法国巴黎理工大学61路平铺孔径相干合成实验装置图
时间堆积：类似在时间轴上排队，通过延迟线或腔结构等方式将多个子脉冲错时排列、重叠，最终叠加成一个高能脉冲包。这要求每个子脉冲的时间、强度和相位控制得极其，误差必须比光波还小。美国密歇根大学在这方面走在前列，实现了81个脉冲堆积，输出达25 mJ，如图2所示。北京大学团队则较早开展了相关实验，在国内实现256个脉冲的堆积，为大通道数系统设计提供了先导性验证。
图2 美国密歇根大学与LBNL 4路空间合成、81个脉冲时域堆积实验装置图
时空合成：空间+时间的“双管齐下”。将空间合束和时间堆积结合，就像在多个舞台上排练不同乐章，最终在同一个乐谱下同步演奏，形成一场能量与节奏高度统一的光脉冲交响乐。2023年，德国耶拿大学完成了一次典型示范（图3），16路空间合束×8个时间脉冲，输出32 mJ、20 kHz、158 fs的飞秒激光，刷新了多个维度记录。
图3 德国耶拿大学16路空间合成、8个脉冲时域堆积实验装置图
除了相干合成，激光技术的“进化赛道”上还涌现出一系列探索性或混合型的创新思路。如光学参量啁啾放大（OPCPA）技术，凭借超宽带宽和少周期脉冲压缩能力，在生成极短脉冲方面具有天然优势；而碟片激光器则以其高效率和优良散热结构，在提升平均功率上表现突出。不过，这两条路线也各有短板：OPCPA系统对泵浦光源要求极高，难以平衡高重复频率与系统稳定性；碟片激光目前则受限于增益带宽，压缩到超短脉宽存在难度，且在保持光束质量和脉冲能量的同时面临系统复杂性挑战。放眼未来，这几条技术路径可能不会是彼此竞争的对立面，而是互为补充、协同融合，共同支撑新一代超快激光平台的构建。
三 未来可期：激光合成，拼的不只是光
如今的飞秒激光早已不只是“一束光”，而演变为一个高度复杂的超快光学系统。在时空相干合成中，控制每个通道的激光强度、相位、时间对齐都需要。就像指挥一个多声部交响乐团，每个“演奏员”都得跟上节奏、合好拍。要让这样一个“多声部乐团”协调运作，离不开背后日益强大的电子控制系统。高带宽的相位调制器、高速的电光器件、AI驱动的实时反馈算法……这些看不见的电路，才是让光脉冲“听话”的幕后英雄。
展望未来，数十乃至上百通道的空间合束、数百个脉冲的时域堆积，以及频谱维度的协同合成，正引领飞秒激光从“架构构想”走向可实现的“系统能力”。通过多维协同控制，有望突破传统单通道放大的瓶颈，释放光场的系统潜力。如果说CPA技术曾开启飞秒激光迈入PW级峰值功率时代，推动其进入超强场物理的应用阶段，那么今天的时空相干合成，则正在引领飞秒激光迈向“系统化架构”阶段。正如封面图所示，可扩展的脉冲数在时间和空间中协同演化，最终汇聚为一束高能量的光脉冲塔。它不仅是光的叠加，更展现出飞秒激光通过多通道协同迈向高能、高频、高稳定的新路径。
参考文献： 中国光学期刊网
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