周朴 | 国防科技大学前沿交叉学科学院

今年2月，作者收到编辑部寄来的专刊纸质版。该专刊出版于去年12月，由2018年诺贝尔物理学奖获得者G. Mourou教授牵头组稿，在中国科技期刊史上是值得记录的一件事情。CPA的全称是Chirped Pulse Amplification，对应中文名称是啁啾脉冲放大。CPA的原理十分清晰，引用专刊中的文字描述就是：通过先将脉冲展宽、再进行安全放大、最后重新压缩，有效解决了短脉冲激光直接放大过程中的非线性效应等带来的光学损伤等风险挑战。

CPA的发明是学科交叉的典范。正如G. Mourou教授在该概念的代表性论文[1]中所述，“We wish to report here a system which transposes the techniqueemployed in radar to the optical regime”，作者将20世纪50年代雷达领域的啁啾脉冲技术引入光学领域。这个不同研究领域之间相互借鉴相互启发的创新思路，极大推动了高功率激光的发展，由此开启了激光大科学的篇章[2]。

作者此前有一个印象：面对如何解决激光高功率放大过程中的非线性效应这个科学问题，CPA堪称“惊艳一击”[3]。认真这个印象更加深刻了。掩卷深思，作者不由萌发思考：“先展宽再放大后压缩”这样的“惊艳一击”，应该不只在时域发挥作用吧？在其他物理域中，是否也有类似的科学问题和解决思路？答案是肯定的。多种类型光纤激光的高功率放大，在通过对线宽、横模、偏振等物理特性进行调控提升输出功率方面，几乎都有类似的“CPA”过程。

先看频域。和直接放大短脉冲激光类似，在光纤中直接放大单频激光也会受到非线性效应的限制，主要限制因素是受激布里渊散射（SBS）。在激光系统中引入波导结构的电光调制器，对其施加相位调制信号来适当展宽激光的线宽，已经被证明是提升SBS效应产生阈值、提高激光输出功率的有效方案[4]。施加相位调制信号的效果是调制纵模从而展宽线宽。大部分研究仅完成“展宽线宽”和“功率放大”，缺少“线宽压缩”的环节，尽管获得了更高功率的激光，却无法保留激光单频特性。但这不是全部情形。现已有研究表明，单频激光的功率放大，也有许多十分惊艳的结果。如果把线宽比作脉宽，同样存在“展宽线宽”→“功率放大”→“压缩（恢复）线宽”这样的过程。

耶拿大学和汉诺威激光中心等单位的研究表明，在展宽放大后的输出端再引入块状电光调制器，对调制信号进行“解调”，可以将展宽的线宽“恢复”到单频状态[5]。与前端的波导结构的电光调制器相比，块状电光调制器耐受激光功率密度更高，可以满足部分场景的需求。但是，块状电光调制器的带宽有限（例如百兆赫兹量级），波导结构的电光调制器的带宽在吉赫兹（以上），因此解调只能对慢速的调制信号起作用；此外，即便其耐受的激光功率更高，典型值也是在百瓦级左右，实用场景也是有限的。

若能在全光纤的结构中实现“解调”，上述两方面的难题将得到解决。目前，研究人员已经在此方面进行了成功的探索。诺格公司和中国科学院上海光机所等单位的研究工作表明[6]：相位调制展宽光谱的同时，通过幅度调制产生自相位调制（SPM）效应，在输出光谱中引入频率啁啾，这种频率啁啾有助于输出光谱的相位解调和载波恢复，从而实现在功率放大的同时实现光谱的压窄。当然，上述“先展宽、再一边放大一边压窄”的技术尚没有实现线宽的“恢复”。

为实现线宽“恢复”这个目标，中国科学院杭州高等研究院课题组在2022年提出了一种非常优雅的解决方案：利用倍频过程中倍频光的相位是基频光两倍的物理性质，对单频激光施加深度为π的阶跃型相位调制，激光光谱展宽、从而抑制SBS，倍频后调制深度变为2 π，相位调制被消除，激光恢复为单频。基于这个原理，课题组已实现20 W、589 nm倍频光和590 nm和频光输出，并且输出功率存在提升空间[7]。课题组冯衍老师是这个想法的提出者，他在“精密激光”公众号中将其数学原理归结为欧拉恒等式（最美数学公式之一）[8]。作者认为，这个想法堪称“惊艳一击”。

再看空域。除了展宽线宽外，增加模场面积、激发高阶模式也是抑制SBS的有效方法，这可以通过采用多模光纤进行功率放大来实现。尽管能保持单频特性，但是激发高阶模式会造成光束质量的下降。如果不对功率放大后的激光模式进行控制，可能会影响应用效果。为此，耶鲁大学科研人员提出了空域“CPA”思路[9]：采用离轴聚焦耦合的方式将单频激光注入多模光纤中，并尽可能多地激发高阶模式以展宽布里渊增益谱和降低布里渊峰值增益系数，同时结合多模光纤的大模场面积以有效抑制SBS效应，这可以看作是空域的“展宽”；进一步，利用置于光纤输入共轭平面位置的空间光调制器对激光的空间波前分布进行调制，基于优化控制算法调控输出端的模间干涉，实现单频激光在光纤输出端面附近的近衍射极限聚焦，从而完成空域的“压缩”。如果不考虑功率放大过程，上述通过控制输入端空间波前分布来实现输出端近衍射极限光束的方法，就是自适应光学的基本思想。

结合空域的功率放大过程，除了SBS效应外，模式不稳定（TMI）效应也是限制功率提升的重要因素[10]。耶鲁大学科研人员通过对输入激光进行波前整形使其在多模光纤中激发高阶模，从而引起模间干涉光场形成散斑分布，有效增强了其与温度场在空间尺度上的不匹配，以及相应地减少了光纤中通过热光效应强耦合的模式数量并实现对TMI 效应的有效抑制[11]。

上述“横模展宽”→“功率放大”→“压缩（恢复）横模”过程已有成功实验。耶鲁大学课题组基于支持76个横模传输的掺镱光纤，采用液晶空间光调制器对线偏振的单频种子源波前进行整形，在输出端实现大于500 W、光束质量因子M2约为1.35的激光输出，斜率效率大于80%；阿德莱德大学课题组基于支持288个横模传输的铒镱共掺光纤，获得峰值功率7.7kW、重频10kHz的百纳秒量级高光束质量脉冲激光[12]。

到目前为止，前述空域压缩（恢复）横模的过程还需依赖主动控制算法，尚没有类似冯衍教授提出的频域特性压缩方法那样，通过物理过程“自动”实现压缩（恢复）横模的报道。在相对“平行”的研究领域，已有实验和理论表明，在抛物线形折射率分布的多模光纤中发生的受激拉曼散射（SRS）过程，具有激光功率放大和横模优化（净化）的效果[13]。上述两项研究的交叉借鉴，有可能会带来新的启发。

再看偏振域[14]。对线偏振激光进行高功率放大同时保持偏振特性，长期受到偏振度退化、非线性效应阈值更低、材料器件成本更高等因素的挑战[15]。为此，科研人员提出采用偏振控制的思路[16]，即放大级采用非保偏器件与光纤以提高非线性效应阈值、降低系统成本，系统前端加入偏振控制元件，根据放大级的输出特性调整对系统前端的控制信号，最终从非保偏放大级获得功率放大的、线偏振激光输出。

从偏振演化的视角看，是这样一幅场景：在输入端进行了偏振调制，将线偏振光调制成部分偏振（或非偏振）光，再注入非保偏放大器进行功率放大，调制后的偏振分布与非保偏放大器的偏振退化分布呈现“共轭”的过程，从而使得放大后的激光“恢复”成接近线偏振的状态。采用上述原理，科研人员已经相继实现了千瓦、2千瓦、3千瓦级功率输出[17]，其中2.5 kW输出时，消光比可以大于15dB。运用这种方法还可以实现线偏振高功率超快激光输出[18]。

对于超快激光，光纤内的克尔非线性效应不仅会显著劣化脉冲质量，还会诱导自聚焦效应造成光纤损伤。为此，耶拿大学科研人员提出先将线偏振光转换成圆偏振光放大后再恢复成线偏振光的方案，其中的两次偏振转换各需一个1/4波片即可实现[19]。理论上，同等条件下线偏振光的B积分（非线性相移大小）相比圆偏振光小2/3，即通过该方案可将光纤放大器的自聚焦功率密度阈值从4 MW提升到6 MW（假设激光中心波长为1.03µm）。值得注意的是，该方案还要求放大光纤长度不能太长，最好在1m左右，这样非保偏光纤中的双折射效应对激光偏振的劣化作用可以忽略不计。基于该方案，中国科学院物理所科研人员利用大模场棒状光纤构建超快CPA放大器，在1兆赫兹重频下获得了273 W的超快激光（脉宽为264fs），输出脉冲的偏振消光比为21 dB[20]。

由上，如果我们把“CPA”理解成一种科学问题的解决思路，在高功率光纤激光领域、在更宽广的研究领域，都可以借鉴或者运用这个思路，人人皆可“CPA”。了解它的基本原理和实现方法，再“复行数十步”，很多科学问题就“豁然开朗”了。

需要指出的是，前文介绍的三个物理域中的代表性科学问题并非相互独立。例如，在频域和空域重点关注的非线性效应及模式不稳定效应，已经呈现出明显的偏振相关性[21]；空域重点关注的模式不稳定效应，也受到频域线宽特性的影响。因此，要获得更高功率、更好性能的激光输出，需要在认识、分析、研究激光全维特性的基础上，具备科学、强大、灵巧的光场调控能力。

备注：感谢国防科技大学前沿交叉学科学院李灿老师为本文做的校对工作。

参考文献：

[1]Strickland D，Mourou G. Opt. Commun.，1985，56：219.

[2]礼赞学科大交叉典范，开启激光大科学篇章，《中国激光》2025年第23期导言

[3] 参见中国科学院物理研究所曹则贤老师《惊艳一击》一书，书中介绍了数理史上一些的绝妙证明

[4] 石梦悦，吴勇，李洁，等. 基于光谱展宽的高功率窄线宽激光器研究进展，激光与光电子学进展，2023年第8期；高子翔，楚秋慧，舒强，等.高功率窄线宽光纤激光相位调制光谱展宽技术研究进展，激光与光电子学进展，2025年第11期

[8]公众号2022年3月14日文章。这一天是世界数学日

[9]Chen C-W, Nguyen L V, Wisal K, et al. Mitigating stimulated Brillouin scattering in multimode fiberswith focused output via wavefront shaping[J]. Nature Communications, 2023, 14(1): 7343.

[12]Rothe S, Chen C-W, Ahmadi P, et al. Wavefront shaping enables high-power multimode fiber amplifier with output focus[J]. Science, 2025, 390(6769): 173-177. Smith D L, Henderson-Sapir O, Singh J, et al. Wavefront shaping for near-diffraction limited multimode output in a record peak power, single-frequency, 1.5 µm fiber amplifier[C]∥CLEO 2025.

[20]Chen Y Z, Fan C C, Yao T F, et al. Brightness enhancement inrandom Raman fiber laser based on a graded-index fiber with high power multimode pumping[J]. Optics Letters, 2021, 46(5): 1185-1188.

[14]偏振状态与空间模式是相关的。本段和下一段内容，简化取“线偏振”和“非线偏振”两个状态，以便于直观理解

[15]吴函烁，杨成，李浩博，等. 高功率线偏振光纤激光研究进展，中国激光，2025年3月

[16]史逸飞，漆云凤，全昭，等.高功率线偏振光纤激光偏振控制技术研究进展，激光与光电子学进展，2025年5月；尤阳，漆云凤，何兵，等.光纤激光主动偏振控制技术的原理与进展，激光与光电子学进展，2019年5月

[18]Wang T, Ren S, Chang H X, et al. High-power all-fiber linearly polarized Yb-doped chirped pulse amplifier based on active polarization control[J]. Chinese Optics Letters, 2024, 22(4):041403.

[20]王栋梁，史卓，王井上，等. 1 MHz, 273 W 掺镱棒状光纤啁啾脉冲放大系统，物理学报，2024年7月

[21]吴函烁，杨成，李浩博，等. 高功率线偏振光纤激光研究进展，中国激光，2025年3月