為了獲得毫焦量級的脈衝能量和數個吉瓦的峰值功率，摻鐿光纖放大係統通常使用極大模場直徑（MFD）的增益光纖並結合啁啾脈衝放大（CPA）技術。進一步提升脈衝能量和峰值功率依賴於近些年發展的相幹合成技術。

 

分脈衝放大（Divided－pulse amplification

， DPA）是一種常用的相幹合成技術：在 DPA 係統中，通過在放大前將初始脈衝等分成時域上分離的子脈衝串，以降低脈衝在放大時的峰值功率；子脈衝串經過放大之後重新合成為一個脈衝。DPA 的相幹合成效率主要受到三方麵的限製：（1）增益飽和導致子脈衝間的強度差異；（2）非線性效應將子脈衝間的強度差異轉化為相位差異；（3）器件缺陷。本文介紹的兩篇文獻均對啁啾脈衝－分脈衝放大係統（CPA－DPA）進行了詳細的數值模擬，並重點研究了合成效率與增益飽和的關係。

 

 

圖 1 （a） Sagnac 型 DPA 裝置和 （b） 雙通 DPA 裝置的示意圖

 

2013 年，Marco Kienel 等人探究了兩種 CPA－DPA 係統合成效率的影響因素［1］。第一種（圖 1a）是 Sagnac 裝置，其脈衝在時間與空間上均被等分，雙向通過增益光纖放大後合成。第二種（圖 1b）是雙通裝置，等分的子脈衝序列來回兩次通過增益光纖放大並合成。圖 2 顯示了雙通 DPA 裝置的合成效率與增益飽和，非線性強度和 PBS 對比度的關係。圖 2（a
，d）
， （b，e）
， （c，f）分別代表分脈衝數量為 2
，4，8 的情況。其中，（a－c）對應理想的 PBS
，而（d－f）對應對比度有缺陷的 PBS。圖像橫軸為輸出能量 Eout 與飽和能量 Esat 的比值，代表增益飽和效應的強度，縱軸是單個子脈衝累積的最大 B 積分

，表征係統的非線性強度。

 

如圖 2（a）所示，當不存在非線性效應（Bmax ＝ 0）時(shi)，僅(jin)增(zeng)益(yi)飽(bao)和(he)增(zeng)強(qiang)即(ji)可(ke)造(zao)成(cheng)雙(shuang)脈(mai)衝(chong)合(he)成(cheng)效(xiao)率(lv)下(xia)降(jiang)，因(yin)為(wei)增(zeng)益(yi)飽(bao)和(he)給(gei)予(yu)了(le)兩(liang)個(ge)子(zi)脈(mai)衝(chong)強(qiang)度(du)上(shang)的(de)差(cha)異(yi)，導(dao)致(zhi)合(he)成(cheng)偏(pian)振(zhen)態(tai)偏(pian)轉(zhuan)，使(shi)脈(mai)衝(chong)在(zai)通(tong)過(guo)輸(shu)出(chu)端(duan) PBS shisunshinengliang。erdangfeixianxingxiaoyingcunzaishi，qiangduxiangguandefeixianxingxiangyihuibazengyibaohezaochengdeqiangduchayizhuanhuaweixiangweichayi，jidadisunhaihechengdexianpianzhenchengdu，jinyibujiangdihechengxiaolv。chufeizengyibaohehenruo，liangmaichongdeqiangduchayixiao，jishi Bmax 很大
，兩脈衝 B 積分差依然不大，合成效率仍維持較高水平。更多分脈衝數量（圖 2（b

，c））與 PBS 缺陷（圖 2（d－f））的情況整體與理想 PBS 的雙脈衝（圖 2（a））類似，隻是合成效率更加敏感

，因為多次合成增加了係統的複雜度，PBS 缺陷引入了更多不規則的子脈衝強度差。

 

 

圖 2 雙通 DPA 係統中總合成效率與增益飽和，非線性強度
，PBS 缺陷的關係

 

相較於雙通裝置，Sagnac 裝置的合成效率隨上述物理因素的變化規律略有不同。當分脈衝數量為 2 時（圖 3（a）），兩強度相同但正交的子脈衝通過環路相向傳輸，經曆完全相同的增益和非線性相移，合成效率為 100％。而在四個子脈衝的情況下（圖 3 （b）），Sagnac 裝置的合成效率亦遠高於雙通的 DPA 係統。這是因為 Sagnac 裝置結構對稱
，4 脈衝的第一次合成始終是完美的，減少的合成效率僅是第二次合成中兩脈衝相位差所致合成線偏振度的降低。

 

當分脈衝數量增加至 8 時（圖 3（c）），合成效率才降到與雙通係統類似的水平。此外
，相較於雙通的 DPA 係統，PBS 缺陷（圖 3（d－f））會破壞 Sagnac 裝置的對稱性，因而對合成效率有更嚴重的影響。
 

 

圖 3 Sagnac DPA 係統中總合成效率與增益飽和，非線性強度，PBS 缺陷的關係

 

除了上述物理效應
，還有一些其他的效應可能會降低合成效率，例如源於 Kramers－Kr?nig 關係的相移，增益飽和對脈衝的整形作用，和分脈衝相互重合導致的交叉相位調製（XPM）。

 

因此，在 2016 年，F． GUICHARD 等人對 CPA－DPA 係統進行了更嚴格且詳細的仿真，計算了包括 XPM、增益飽和與 K－K 關係的耦合非線性薛定諤方程［2］。作者所考慮的是如圖 4 所示的雙通摻鐿 CPA－DPA 係統。上半部分的合成器件與分脈衝器件的參數保持完全相同
，為被動係統

；下半部分的合成器件與分脈衝器件的參數可獨立調節，但需通過掃描最大輸出功率以確定合成器件的參數，為主動係統。

 

 

圖 4 被動與主動的雙通 CPA－DPA 係統

 

具有 2 個子脈衝的被動 DPA 係統的合成效率模擬結果如圖 5 所示。理論上，由於增益飽和的影響
，第一子脈衝的增益高於第二子脈衝
，輸出時
，強度的差異會略微降低合成效率。而自相位調製（SPM）和 K－K 相xiang移yi又you會hui將jiang兩liang脈mai衝chong的de強qiang度du差cha轉zhuan化hua為wei相xiang差cha，進jin一yi步bu造zao成cheng合he成cheng效xiao率lv的de降jiang低di。為wei了le區qu分fen這zhe些xie效xiao應ying之zhi間jian的de貢gong獻xian，作zuo者zhe首shou先xian討tao論lun了le不bu同tong非fei線xian性xing強qiang度du的de模mo擬ni結jie果guo：將輸入脈衝展寬至 500 ps（藍線）或 2 ns（紅線），對應每個子脈衝的平均 B 積分分別為 12 rad 和 3 rad（E ／ Esat ＝ 1 時），在輸出能量接近飽和能量，增益飽和效應增強時，很明顯非線性強的情況（藍線）合成效率下降得更快。其次，從忽略 K－K 關係後再模擬的結果可知（虛線），SPM 是兩脈衝相差的主要貢獻者，K－K 關係對合成效率的降低隻占少部分。

 

 

圖 5 具有 2 個子脈衝的被動 DPA 係統的合成效率與增益飽和的關係

 

zuozhehaishitutongguoxuanzhuanfenmaichongqijianyuhechengqijiandebanbopianjiaodulaigaibianzimaichongfangdaqiandenengliangfenpei，yibuchangzengyibaohedaozhideqiangduchayi。monijieguorutu 5 綠lv線xian所suo示shi
，作zuo者zhe成cheng功gong的de優you化hua了le合he成cheng效xiao率lv並bing顯xian示shi了le每mei個ge輸shu出chu能neng量liang對dui應ying旋xuan轉zhuan的de最zui佳jia角jiao度du。它ta清qing楚chu地di表biao明ming，調tiao節jie半ban波bo片pian是shi將jiang有you效xiao相xiang幹gan合he成cheng區qu域yu拓tuo展zhan至zhi放fang大da器qi飽bao和he能neng量liang之zhi外wai的de有you效xiao方fang法fa。

 

圖 6 展示了分脈衝數量為 4 的 DPA 係統的模擬結果。其中的藍線，紅線，綠線分別對應高非線性強度，低非線性強度和無非線性效應三種情況。虛線代表被動 DPA 係統，而實線代表主動 DPA 係統。所有曲線所代表的合成效率都已通過旋轉半波片的角度盡可能地優化了。藍線和紅線的變化趨勢與圖 5 類似，再次說明非線性越強
，增益飽和對合成效率的影響越大。

 

值得注意的是，在輸出能量的值接近飽和能量四倍的情況下（每個子脈衝能量都與飽和能量相當），盡管沒有 SPM 和 KK 關係引入子脈衝間的相差，合成效率也會因過強的增益飽和而顯著降低，且被動 DPA 係統不能補償這種由純粹強度失衡導致的低合成效率（圖 6 綠色虛線）。但是，強度差異引起的合成效率降低可以通過主動的 DPA 係統完美解決（圖 6 綠色實線）：xiandulitiaojieshuruduandebanbopianjiaodu，shishurumaichongfenweinengliangqiandihougaodezimaichongxulie，yibuchangzengyibaohegeifangdahouzimaichongdailaidenengliangcha，zheyanghuodedexiangdengfududefangdazimaichong，zaitongguodulitiaojieshuchuduanbanbopiandejiaodulaiwanmeihecheng，congerchanshengjigaodehechengxiaolv。chuciyiwai，zengjiafenmaichongshuliangyeshiyouhuahechengxiaolvdechangyongfangfa，qibujinnengjiangdimeigezimaichongdefengzhigonglv，congerjiangdifeixianxingdeqiangdu，haikeyijianruozengyibaoheduimaichongzaochengdeyingxiang。

 

 

圖 6 具有 4 個子脈衝的被動和主動 DPA 係統的合成效率與增益飽和的關係

 

綜上所述，兩篇文章均通過模擬描述了增益飽和影響 DPA 合成的機製，為實驗中觀察到的接近飽和能量時的合成效率下降提供了可靠的解釋與解決的方案。雖然兩篇文章均提出了采用主動 DPA 設(she)計(ji)
，增(zeng)加(jia)分(fen)脈(mai)衝(chong)數(shu)量(liang)的(de)優(you)化(hua)方(fang)法(fa)，但(dan)由(you)於(yu)當(dang)前(qian)係(xi)統(tong)缺(que)乏(fa)對(dui)每(mei)個(ge)子(zi)脈(mai)衝(chong)強(qiang)度(du)和(he)相(xiang)位(wei)的(de)控(kong)製(zhi)手(shou)段(duan)，任(ren)意(yi)縮(suo)放(fang)分(fen)脈(mai)衝(chong)數(shu)量(liang)並(bing)不(bu)可(ke)行(xing)。未(wei)來(lai)可(ke)以(yi)考(kao)慮(lv)使(shi)用(yong)響(xiang)應(ying)足(zu)夠(gou)快(kuai)的(de)電(dian)／聲光調製器之類的元件來控製每個子脈衝的強度和相位
，以解決此問題。