1985年，啁啾脈沖放大（CPA）技術被提出，為飛秒激光安全放大奠定了基礎，并推動其從實驗室走向強場物理、生命科學和制造等多個前沿領域。其技術原理頗為巧妙：先將超短激光脈沖在時間上拉長，降低瞬時功率，隨后在安全狀態下進行放大，再壓縮回飛秒脈寬，恢復其超高峰值功率，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致的非線性效應與光學損傷。但四十年過去，人們對激光的期待已經不再只是“單次沖擊"，而是以更高頻率持續輸出、兼顧強度與穩定。這對CPA提出了新挑戰：單通道結構在追求更高重復頻率和更大輸出能量時，常常受限于非線性累積、熱效應和光學元件的損傷閾值。

       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，各自放大后再精準合成。就像建高樓，不靠一根柱子獨撐，而是將每塊磚穩穩鋪好，再逐層堆砌。這種思路催生了一項關鍵新技術：時空相干合成。

       “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量相干光束。德國耶拿大學Limpert團隊于2020年搭建了12路大模場光纖空間相干合束（CBC）系統，最終獲得脈寬為254 fs、重復頻率為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時飛秒激光的平均功率紀錄。同年，法國巴黎理工大學的Chanteloup團隊采用平鋪孔徑結構實現了61路CBC，如圖1所示，獲得了平均功率約為1 kW、重復頻率為2 MHz、脈寬為257 fs的脈沖輸出，對應單脈沖能量約為500 μJ，這是超多通道相干合束技術的重要突破。國內在該領域也取得了顯著進展。物理研究所、華中科技大學、國防科技大學等團隊在2到16通道的合束實驗中，實現了超700 W的平均功率。

圖1 法國巴黎理工大學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排隊，通過延遲線或腔結構等方式將多個子脈沖錯時排列、精準重疊，最終疊加成一個高能脈沖包。這要求每個子脈沖的時間、強度和相位控制得極其精準，誤差必須比光波還小。美國密歇根大學在這方面走在前列，實現了81個脈沖堆積，輸出達25 mJ，如圖2所示。北京大學團隊則較早開展了相關實驗，在國內實現256個脈沖的堆積，為大通道數系統設計提供了先導性驗證。

圖2 美國密歇根大學與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，形成一場能量與節奏高度統一的光脈沖交響樂。2023年，德國耶拿大學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，激光技術的“進化賽道"上還涌現出一系列探索性或混合型的創新思路。如光學參量啁啾放大（OPCPA）技術，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勢；而碟片激光器則以其高效率和優良散熱結構，在提升平均功率上表現突出。不過，這兩條路線也各有短板：OPCPA系統對泵浦光源要求，難以平衡高重復頻率與系統穩定性；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，且在保持光束質量和脈沖能量的同時面臨系統復雜性挑戰。放眼未來，這幾條技術路徑可能不會是彼此競爭的對立面，而是互為補充、協同融合，共同支撐新一代超快激光平臺的構建。

       如今的飛秒激光早已不只是“一束光"，而演變為一個高度復雜的超快光學系統。在時空相干合成中，控制每個通道的激光強度、相位、時間對齊都需要精準。就像指揮一個多聲部交響樂團，每個“演奏員"都得跟上節奏、合好拍。要讓這樣一個“多聲部樂團"協調運作，離不開背后日益強大的電子控制系統。高帶寬的相位調制器、高速的電光器件、AI驅動的實時反饋算法……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，數十乃至上百通道的空間合束、數百個脈沖的時域堆積，以及頻譜維度的協同合成，正飛秒激光從“架構構想"走向可實現的“系統能力"。通過多維協同控制，有望突破傳統單通道放大的瓶頸，全面釋放光場的系統潛力。如果說CPA技術曾開啟飛秒激光邁入PW級峰值功率時代，推動其進入場物理的應用階段，那么今天的時空相干合成，則正在飛秒激光邁向“系統化架構"階段。正如封面圖所示，可擴展的脈沖數在時間和空間中協同演化，最終匯聚為一束高能量的光脈沖塔。它不僅是光的疊加，更展現出飛秒激光通過多通道協同邁向高能、高頻、高穩定的新路徑。

參考文獻： 中國光學期刊網

您好，可以免費咨詢技術客服[Daisy]

 筱曉(上海)光子技術有限公司

歡迎大家給我們留言，私信我們會詳細解答，分享產品鏈接給您。

免責聲明：

資訊內容來源于互聯網，不代表本網站及新媒體平臺贊同其觀點和對其真實性負責。如對文、圖等版權問題存在異議的，請聯系我們將協調給予刪除處理。行業資訊僅供參考，不存在競爭的經濟利益。