在過去幾年中，由於受到熱致模式不穩定性和非線性效應的影響，單一光纖放大器所能產生的平均功率、脈衝能量和峰值功率等性能指標，已經遇到難以克服的瓶頸。解決該問題的有效途徑是利用多路光纖放大器分別放大超快脈衝，之後進行多光束相干合成，該技術有望顯著提高超快光纖激光的性能參數(如高重複速率下的焦耳級脈衝能量)，進一步拓展其更廣泛的應用（比如應用於強場物理、激光粒子加速等)。
德國Jena課題組是該技術的開拓者。他們在2017年報道了利用集成化程度比較高的16個分離的光纖放大通道對光束進行放大再合束 [1]，實驗裝置如圖1所示。在主放大器之前，通過脈衝展寬器將脈衝展寬並用空間光調製器調節其相位，隨後又經過3個PM980光纖、兩個聲光耦合器、2級模場直徑分別為42μm及56μm的大軸距光纖進行了預放大，得到了50w左右的功率。在該工作中，主放大器增益光纖為大模場面積棒狀光纖。空間合成系統在分束時是用偏振分光器和半波片把光束先分為上下兩束再進一步把上下的光束各分成並列的八束。為了提高合成效率和光束品質，該系統利用半波片及四分之一波片對非線性偏振旋轉進行補償；每個通道均有壓電驅動的反射鏡，用於穩定每路的相位。最終通過集成的布儒斯特型薄膜偏振器完成合束後，再利用Treacy型光柵壓縮器對脈衝進行壓縮。
圖1 基於16個單一光纖放大器的多路相干合成摻鐿超快光纖激光系統
在合束結果方面，空間合成系統最終的總功率為1830w，合束效率為82％，光譜寬度10.2nm（圖2左），脈衝寬度為234fs（圖2右），其變換極限脈寬為200fs。未進行最終合束的上下兩層光束功率均為1kw左右，上下兩層的合束效率分別為95％和91％，光束的質量因子均為1.3。
圖2 合束後光譜（左）和自相關曲線（右）
光束為偏橢圓形的高斯光束（圖3左），光束的質量因子大約為3，質量較差，主要來源於用於合束的偏振器的熱效應（圖3右）。將來可以通過將該偏振器換成具有低吸收鍍膜的薄膜偏振器，避免熱透鏡效應；另一個可改進之處是將最後的透鏡式telescope換成mirror telescope。通過這兩項改進，可以提高光束質量，有望獲得2kw功率、合束效率90％且光束質量因子小於1.3的高能量飛秒脈衝。
圖3 空間合成後的光束（左）和展示了熱透鏡效應的TFP熱成像圖（右）
為了進一步小型化該系統，Jena課題組對上述方案進行了重大改進，改進後的系統如圖4所示 [2]。
圖4 基於集成器件的16通道相干合成摻鐿超快光纖激光系統
該系統放大的主體部分是多纖芯的摻鐿光纖(如圖5所示），集成化程度更高，顯著降低了系統的複雜程度。
圖5 16纖芯光纖端面示意圖
(a)光纖端面 (b)放大的自發輻射 (c)放大信號輸出
該系統使用兩組分段鏡面分束器將一束入射光在空間上分成16個光束。這種分束器由一塊高反鏡以及一個包含並排的四種不同反射率區域的鏡面組成，反射率分別為0、50％、66％、75％，把初始光束分為4×4的矩陣，再用偏振分光器或4焦距系統來調節光束矩陣的間距，送到多纖芯光纖的端面。
多纖芯光纖合成系統則將光束通過了一個4×4的壓電調控鏡面矩陣來維持相位穩定（圖6），藉由鏡面反射過程中發生的光束水平豎直方向翻轉減小了在最後telescope處的球差。鏡面矩陣之前放置了透鏡矩陣，把鏡面安裝時微小的傾斜轉化為橫向的光束偏移，從而減小光束矩陣的畸變。之後，利用四分之一波片調節光束的偏振。為避免各個通道之間存在熱耦合，該課題組優化了纖芯直徑以及各纖芯之間的間距。整個系統為filled-aperture結構，有利於提高合束效率。
圖6 用於相位調節反饋的信號光束（未良好乾涉光束，多為高階模光束）
經過多纖芯光纖放大後的光束又一次經過兩級分段鏡面，從而把16束光合束，其光束質量因子小於1.2（圖7左），可以獲得近衍射極限大小的光斑（圖7右）。
圖7 多纖芯光纖系統光束M2測量（左）和合成後光束（右）
目前基於多纖芯光纖的合成系統還處於發展初期，Jena課題組只是進行了原理驗證。在該實驗中，系統平均功率僅有70w功率，脈寬為40ps，合束效率為80％。多纖芯光纖合成系統的進一步研究，依賴於提高多纖芯光纖的製造工藝，使得纖芯矩陣排列更均勻，同時減小高階模傳輸帶來的損耗，並避免不同纖芯間的模式耦合。增加多纖芯光纖的纖芯數量也有利於進一步提高功率，但也要仔細研究如何對該種光纖進行熱量管理。
參考文獻：
[1] M. Mueller, A. Klenke, H. Stark, J. Buldt, T. Gottschall, J. Limpert, and A. Tünnermann, "16 Channel Coherently-Combined Ultrafast Fiber Laser," in Laser Congress 2017 (ASSL, LAC), OSA Technical Digest (online) (Optical Society of America, 2017), paper AW4A.3.
[2] A. Klenke, M. Müller, H. Stark, F. Stutzki, C. Hupel, T. Schreiber, A. Tünnermann, and J. Limpert, "Coherently combined 16-channel multicore fiber laser system," Opt. Lett. 43, 1519-1522 (2018)
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