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，最終在圖右側堆疊成塔狀高能脈沖，寓意時域堆積對脈沖能量的進一步提升。整體構圖形象展現了“時空相干合成"的物理機制。值此啁啾脈沖放大（CPA）技術發明四十周年之際，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，其在兼顧高重復頻率與高單脈沖能量方面的研究價值與發展潛力顯著。

一、四十年跨度，激光科學新考題

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、生命科學和先進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。

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。

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

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