飛秒激光具有窄脈寬、寬光譜、高峰值功率等特點，是科學研究和工業加工的理想工具。光纖飛秒激光系統憑借著輸出功率高、光束質量好、結構簡單等優勢迅速發展，然而受到光纖纖芯面積小和增益帶寬有限的固有限制，很難直接輸出高質量、窄脈寬的高能量脈沖。
利用啁啾脈沖放大技術雖然可以獲得較高的單脈沖能量，但是由于其放大過程中不存在光譜展寬的過程，同時強烈的增益窄化作用還會導致輸出脈沖寬度變寬，其輸出的脈沖寬度往往在百飛秒量級。自相似放大技術通過控制放大過程中的非線性效應使其積累線性啁啾，能夠在脈沖功率放大的同時實現脈沖光譜的展寬，支持高脈沖能量，且輸出結果與入射脈沖的形狀無關。另外，在脈沖放大過程中產生的線性啁啾能夠通過光柵對進行壓縮，為獲得高功率、高能量的飛秒脈沖激光輸出提供了條件。
與啁啾脈沖放大技術努力降低光纖中的非線性效應以保證脈沖的形狀和光譜形狀不被自相位調制影響而發生畸變不同，自相似放大技術就是要利用自相位調制的特性來展寬光譜。通過時間帶寬積理論可知，光譜越寬對應的極限脈沖就越窄。但是，如果任意一個脈沖放任自相位調制展寬光譜，最終的結果一定是出現脈沖畸變、產生裙底、信噪比降低等問題。
對自相似脈沖放大理論研究表明，在不考慮光纖吸收損耗和高階色散的情況下，脈沖在沒有長度限制的正色散增益光纖中傳輸及放大時，非線性薛定愕方程就能夠求出帶有線性啁啾的自相似漸近解，其包絡形狀最終會演化成拋物線型。由于自相位調制積累的非線性相位是與脈沖相同形狀的函數，因此對于拋物線型脈沖，不論自相位調制如何積累，其對應的啁啾都是常數，這就將非線性啁啾變成了線性啁啾，那么這樣積累出來的非線性相位就也能像線性啁啾那樣利用具有線性啁啾的脈沖壓縮器對其進行壓縮。
這無疑為光纖放大系統的壓縮過程提供了新的方式，為得到高功率、無啁啾的超短脈沖激光提供了新的可能。和啁啾脈沖放大不同，在自相似脈沖放大系統中，光譜在自相位調制的作用下跟時域脈沖一起被展寬，根據時間帶寬積，就容易實現脈沖壓縮后的脈寬比種子脈寬更窄。在放大器的參數固定不變時，自相似放大只與入射脈沖的初始能量有關，不受入射脈沖形狀、寬度等參數的影響。
圖1 (a)脈沖在時域傳輸時的波形
(b)脈沖在頻域傳輸時的波形
隨著奧創光子不斷攻堅克難，已成功掌握了1030 nm波段自相似放大技術。使用奧創光子自制的SESAM鎖模光纖激光振蕩器作為種子源，通過增益控制和色散管理的結合，實現了全光纖結構的自相似放大器。色散補償后的脈沖自相關曲線如圖2所示，此時的脈沖寬度接近變換極限。較窄的脈沖寬度有利于在增益過程中獲得較高的峰值功率，并由此更好地利用自相位調制效應實現光譜展寬。色散補償后的脈沖進入自相似放大階段，放大后脈沖光譜的包絡呈顯著的拋物線型，光譜中心波長位于1030 nm附近，沒有發生明顯的偏移，光譜帶寬大于20 nm，且自主可控（如圖3）。對應的自相關曲線表明，時域脈沖已經同樣演化為拋物線型（如圖4）。此時，脈沖能夠被輕易壓縮至小于100 fs。
圖2 色散補償后的自相關圖像
圖3 自相似放大后光譜形狀
圖4 自相似放大后自相關圖像
奧創光子掌握的自相似放大技術具有諸多應用優勢。首先，為下一級功率放大和能量放大提供穩定、高線性啁啾度、高功率的種子源。目前，奧創光子通過將自相似放大技術與啁啾脈沖放大技術結合，實現了單脈沖能量大于100 uJ、脈沖寬度小于170 fs的高能飛秒脈沖激光器（如圖5）。其次，為非線性脈沖壓縮技術提供高能量的拋物線形脈沖，提高展寬光譜的線性啁啾度，為輸出高質量的單周期飛秒激光脈沖帶來了新機遇。最后，自相似放大輸出的線性啁啾拋物線脈沖還在高相干度超連續譜產生、任意脈沖時域形狀合成和光學信息處理等領域具有重要的應用價值。
圖5 單脈沖能量大于100 uJ時對應的自相關圖像
奧創光子自2018年創立以來，公司已申請140余項專利，已掌握了高能高功率飛秒脈沖放大技術、啁啾體布拉格光柵色散補償技術、波長轉換等關鍵核心技術，結合自主設計制造的超快種子源、溫度調諧式啁啾光 纖光柵等核心器件已成功推出系列化飛秒激光器產品，并在國內率先實現工業領域批量出貨，打破了該領域被國外產品長期壟斷的局面。目前奧創光子不斷迎合當前市場對于航天航空，新能源鋰電，電子消費等高端精密行業的發展節奏壯大自身，不斷為先進制造產業轉型升級夯實基礎，促進發展。
來源：奧創光子
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