高功率超快光纤激光在高能物理、高次谐波产生、先进制造、高精度测量与加工等前沿科学和工业领域中都具有广泛的应用^[1-3]。与连续激光放大不同的是，飞秒激光在光纤中放大会受到严重的非线性效应的制约，在光纤中传输累积的非线性相移也会劣化脉冲质量。为了实现高功率/能量的飞秒光纤激光，科研人员提出了啁啾脉冲放大（CPA）技术^[4]，即将飞秒激光在放大之前，在时域将脉冲展宽到数百皮秒甚至纳秒量级，从而大大降低脉冲的峰值功率实现高功率放大，并在输出端通过色散补偿元件将脉宽压缩回飞秒量级。目前，基于全光纤结构和空间耦合结构的光纤CPA系统所实现的最高平均功率为440.6 W^[5]和830 W^[6]。然而，受到光纤非线性效应以及模式不稳定效应的影响^[7]，基于光纤CPA技术的飞秒激光功率进一步提升遭遇瓶颈^[8-9]。

超快光纤激光相干合成技术是突破飞秒激光单根光纤功率受限的有效技术手段，成为国际上的研究热点^[10-14]。德国耶拿大学在超快光纤激光相干合成领域在国际上处于领先地位，2020年，通过12路光纤激光相干偏振合成实现了平均功率10.4 kW的飞秒激光输出^[15]，在2019年实现了单脉冲能量23 mJ的飞秒激光输出^[16]，创造了最高平均功率和单脉冲能量两项纪录。在合成路数方面，法国的XCAN项目团队采用微透镜阵列合束方案实现了61路飞秒光纤激光的相干合成^[17]，实现了平均功率1.5 kW、单脉冲能量500 μJ、脉宽257 fs的超快激光输出。国内在超快光纤激光相干合成研究方面与国外相比尚有较大差距。2016年，上海理工大学与华东师范大学联合实现了两路超快激光相干偏振合成，合成的最高平均功率为30.4 W^[18]。2018年，国防科技大学同样实现了两路超快光纤激光相干偏振合成^[19]，最高合成功率为313 W，脉宽为827 fs，是目前国内的最高功率水平。

为了实现高效率的超快激光相干合成，不同光纤放大器之间的相位差需要精确补偿和锁定。相位控制技术是光纤激光相干合成的关键，目的是使各路激光同相输出，从而实现多路激光功率相干叠加的效果。依据相位差探测方式的不同，可以分为直接探测和间接探测。直接探测通过Hänsch-Couillaud (HC)探测^[20]、外差法^[21]等方法获取单元激光之间的相位差并校正，具有控制带宽高、控制速率快的优点，但是随着阵列路数的增加，探测系统的复杂度会显著提升^[11-12]。间接探测不对相位差直接测量，通过光电探测器探测合成光束的远场中央主瓣能量，利用一定算法不断更新优化迭代使其达到最大值，该方法具有系统拓展性高、控制系统简单的优点^[11-12]。基于间接探测方法，国防科技大学已经实现了百路以上大阵列连续光纤激光相干合成^[22]和19路21.6 kW^[23]高功率光纤激光相干合成。在间接探测中，随机并行梯度下降（SPGD）控制算法的应用最为广泛^{[17, 22, 24]}。在实际应用中，要求锁相系统具有较高的稳定性，并具有自动寻找最优锁相点和重锁相的功能，基于SPGD算法的数字电路系统可以满足上述需求。此外，相位调制器是锁相系统中极为关键的器件，目前多采用基于铌酸锂电光效应的相位调制器实现对相位的控制^{[19, 24-25]}。但是该类调制器插损较大，损伤阈值低，前级光源需经过多级放大才能实现高功率输出，增加了光源设计的复杂性并且会影响系统的稳定性。另一种基于压电陶瓷（PZT）的光纤拉伸器，通过压电陶瓷的电致伸缩效应实现对光纤的拉伸来达到控制相位的目的。此外，光纤拉伸器具有较大的动态调节范围，可同时实现对激光光程的调节。该锁相器件可有效降低系统的插入损耗，提高相位调制范围、耐受功率以及前级光源系统的紧凑性与鲁棒性，避免了采用常规电光相位调制器对脉冲信号造成光谱调制，且具有低成本的优势。

文中基于光纤拉伸器结合SPGD算法进行相位控制，成功实现了两路超快光纤激光高效率相干偏振合成。合成的最高功率为10.9 W，在最高功率下合成效率为90.1%。在闭环状态下，系统的相位噪声得到了有效抑制，锁相残差约为λ/31。合成的脉冲在最高功率下可压缩至494 fs，压缩效率为73.3%，对应的单脉冲能量为3.99 μJ。

两路超快光纤激光相干偏振合成实验装置如图1（a）所示，种子激光是一个自行搭建的重复频率为50 MHz、输出功率为282 mW的锁模振荡器，中心波长为1040 nm，输出脉冲宽度为1.86 ps，如图1（b）和（c）所示。种子信号随后经一个啁啾光纤布拉格光栅（CFBG，中心波长为1040 nm，3 dB带宽为22 nm）将脉宽展宽至500 ps，然后经一个选频器降频至2 MHz。降频后的信号功率为2.9 mW，之后经一个长度为1 m的单模光纤预放大器（Pre-amp1）将功率提升至30 mW，放大后的信号被一个分束比为1∶1的耦合器均分成两路，经过两个平行配置的放大链路实现功率的提升。其中一路在第二级预放大器前接入了基于压电陶瓷环的光纤拉伸器用于锁相，拉伸器内部紧密盘绕了12.4 m的保偏单模光纤，确保该光纤拉伸器在调相的同时不会影响信号的偏振态。光纤拉伸器的驱动电压为±500 V，拉伸系数为0.159 μm/V，对应的相位移动系数为1.45 rad/V @ 1 μm。由此，该光纤拉伸器可实现的相位调节范围约为±115.5λ。此路信号在进入主放大器之前又再次引入了由偏振分束棱镜（PBS）、 1/4波片（QWP）和置于调节范围为25 mm的一维高精度位移台上的反射镜组成的空间延迟线实现光程差的有效补偿。第二级预放大器（Pre-amp2）采用的是长度为2 m、纤芯/包层直径分别为10/125 μm的保偏掺镱增益光纤，经过第二级预放大器后单路功率被提升至500 mW。两路主放大器采用的都是长度为2.5 m、纤芯/包层直径分别为25/250 μm的保偏掺镱增益光纤。最后，两路激光信号经一个偏振合束镜输出。由于两路正交偏振的信号之间具有随机的相位差，合束后的激光具有随机的偏振态，因此合束后的激光再次经一个半波片和偏振分束棱镜（PBS3）输出，用于探测相干合成系统的误差信号。当系统没有锁相时，经PBS3分束后的信号功率不稳定，反射光再次经高反镜M4（99∶1）取样后将少量透射光反馈给光电探测器。为避免脉冲基频信号对相位控制产生影响，因此将光电探测器测得的信号进行500 kHz低通滤波后再反馈到相位控制系统。基于现场可编程逻辑门阵列(FPGA)设计的相位控制系统由一路高速模数转换器和一路高速数模转换器构成，转换速度均大于50 MSPS，可根据合成路数对通道进行扩展。数模转换器输出电压范围为−5~5 V，经20倍高压放大器放大后对光纤拉伸器施加控制电压，用来提高相位控制范围。受限于压电陶瓷环的二阶频率响应峰，相位控制系统以140 kHz的迭代频率执行SPGD算法。该算法在相干合成领域应用较为广泛，适用于多变量的优化控制系统。其基本原理是，首先根据当前控制的多变量，输出对应的控制电压到光纤拉伸器改变激光输出相位，由于相位变化引起合成后的光强变化，可将光电探测器测得的光强由高速模数转换器采集并作为合成系统评价函数。在此基础上，相位控制系统对变量施加随机扰动并重新由数模转换器输出，获取相应的评价函数值，根据扰动前后评价函数的变化对相位进行反馈控制，如此反复迭代使合成后的光强达到极值，以获得最佳的干涉效果，实现有效的相位锁定。

图  1  （a）两路超快激光相干偏振合成实验装置图。CFBG：啁啾光纤布拉格光栅；Pre-amp：预放大器；HWP：半波片；PBS：偏振分束棱镜；QWP：1/4波片；L1~L4:透镜；M1~M4：高反镜; PBC：偏振合束镜；PD：光电探测器；PM：功率计；种子激光的（b）输出光谱和（c）脉冲宽度

Figure 1.  Experimental setup of two ultrafast laser channels coherent polarization beam combination. CFBG：chirped fiber Bragg grating; Pre-amp: pre-amplifier; HWP: half-wave plate; PBS: polarization beam splitter; QWP: quarter-wave plate; L1-L4: lens; M1-M4, high-reflection mirror; PBC: polarization beam combiner; PD: photodiode; PM: power meter; (b) output spectrum and (c) pulse width of the seed laser

实验首先测试了系统的锁相效果。采用空间延迟线对两路信号光程差进行补偿后达到干涉状态，再基于光纤拉伸器对相位差进行精确补偿。图2（a）是在单路信号都为最高6.1 W时的长时间归一化时域强度起伏。可以看出，锁相前由于光纤放大器相位噪声的影响，以及环境噪声的扰动，系统的输出功率剧烈、随机地抖动。当对两路激光信号相位差进行实时反馈控制后，系统的输出功率趋于稳定，归一化时域强度的平均值为0.9582，标准差为0.0101。图2（b）是锁相前后的功率谱密度，可知系统在低频下的相位噪声得到了有效抑制，相位噪声性能得到了极大改善。系统锁相残差由下列公式^[26]计算：

图  2  （a）系统锁相前后的归一化时间强度起伏（开环和闭环）；（b）开环和闭环状态下的功率谱密度曲线；（c）~（e）系统开环状态下的合成光斑；（f）系统闭环状态下的合成光斑

Figure 2.  (a) Normalized temporal intensity fluctuation before and after phase locking (open loop and closed loop); (b) Power spectral density curves at the open and closed loop; system combined beam profile in (c) -(e) open loop and (f) closed loop

式中：σ代表系统锁相残差；V_RMS为探测器输出电压的均方根误差；V_MAX为输出电压最大值。由上式计算的系统在最高合成功率10.9 W下的锁相残差约为λ/31，该光纤拉伸器表现出了较好的稳定性，功率长时间稳定性良好。图2（c）~（e）为系统在开环状态下测得的合成信号强度分布。可以看出，系统没有锁相时，输出光斑同样不稳定、随机变化，但开启相位控制系统后，在闭环状态下输出光斑会趋于稳定，如图2（f）所示。

图3是系统在不同合成功率下的合成效率，合成效率η由下式计算：

图  3  不同输出功率下的合成效率

Figure 3.  Combining efficiency at different output powers

式中：P1和P2分别为合成信号经PBS3后的透射和反射光功率。在激光放大的过程中，由于单元光束间激光指向、光斑大小及光束发散角的不完美匹配，不同功率下的合成效率在90%左右小幅波动，在最高合成功率10.9 W下，合成效率约为90.1%。

图4（a）是最高功率下单路激光及合成后激光信号的输出光谱。可以看出，两路信号的输出光谱在1035 nm附近存在一定的差异，推测其主要来源于两路放大通道中光学器件损耗的波长相关性，以及相应激光信号所经历的非线性相移差。需要强调的是，尽管非线性相移差会对合成效率造成一定程度的影响，但通过严格控制两路放大器结构的一致性（如光纤长度、输入信号功率以及泵浦功率等），该影响可忽略不计^[27]。合成后的光谱中心波长为1036.1 nm，3 dB线宽为6.5 nm。图4（b）是最高功率下单路及合成后脉冲压缩的时域自相关曲线，假定脉冲为高斯型，单路脉冲压缩的脉宽分别为389 fs和414 fs，合成后的信号可压缩至494 fs。压缩效率约为73.3%，考虑到激光重复频率为2 MHz，合成后的压缩信号单脉冲能量为3.99 μJ。

图  4  最高功率下单路及合成后的（a）光谱和（b）压缩脉冲的自相关曲线

Figure 4.  (a) Output spectra and (b) autocorrelation trace of the compressed pulse of single channel and combined beam at the highest power

需要指出的是，笔者所在单位在2018年实现了两路超快光纤激光的共孔径相干偏振合成^[19]，法国巴黎综合理工学院则在2020年实现了61路超快光纤激光的分孔径相干合成^[17]。然而，前期工作所使用的光纤拉伸器相位调节范围有限（±18.4λ），因此，主要被利用反馈控制合成系统的相位噪声，而对由光程差漂移引起的较大幅度相位变化则需使用额外的光纤延迟线来补偿，导致系统的控制环路增加、可靠性变差。文中工作所使用的光纤拉伸器具有更大的相位调节范围（±115.5λ），通过结合SPGD算法，基于单个控制环路实现了对光程差与相位噪声的同时有效控制，这使得该系统的紧凑性与可靠性更强。下一步工作将基于该光纤拉伸器实现更高功率、更多合成路数的超快光纤激光相干合成系统。

文中基于光纤拉伸器并结合SPGD算法，成功实现了两路超快光纤激光相干偏振合成。与常规电光相位调制器相比，光纤拉伸器不仅避免了对脉冲信号带来的光谱调制，而且具有较小的插入损耗、较大的相位调节范围和高的损伤阈值。实验中实现的最高合成功率为10.9 W，合成效率90.1%，在闭环状态下的锁相残差约为λ/31。合成的脉冲可压缩至494 fs，压缩效率为73.3%，对应的单脉冲能量为3.99 μJ。以上实验结果验证了采用光纤拉伸器在光纤激光相干合成中控制相位的可行性，下一步工作拟考虑将该系统向更多合成路数和更高合成功率拓展。