飞秒激光合成，从单通道走向多维协同

       1985年，啁啾脉冲放大（CPA）技术被提出，为飞秒激光安全放大奠定了基础，并推动其从实验室走向强场物理、生命科学和制造等多个前沿领域。其技术原理颇为巧妙：先将超短激光脉冲在时间上拉长，降低瞬时功率，随后在安全状态下进行放大，再压缩回飞秒脉宽，恢复其超高峰值功率，就像拉伸一根弹簧后再快速释放。CPA有效避免了峰值功率过高所导致的非线性效应与光学损伤。但四十年过去，人们对激光的期待已经不再只是“单次冲击"，而是以更高频率持续输出、兼顾强度与稳定。这对CPA提出了新挑战：单通道结构在追求更高重复频率和更大输出能量时，常常受限于非线性累积、热效应和光学元件的损伤阈值。

       于是科研人员开始另辟蹊径：既然一条通道承载有限，不如将激光划分为多个并行通道，各自放大后再精准合成。就像建高楼，不靠一根柱子独撑，而是将每块砖稳稳铺好，再逐层堆砌。这种思路催生了一项关键新技术：时空相干合成。

       “时空相干合成"核心理念很简单：不靠一条“大路"，而是把激光分成许多“小路"，在时间、空间、甚至频率上各自放大，再叠加回一束强大的光。

       空间合束：多路激光汇成一道光。通过精密的相位控制，科研人员使多路激光在空间上干涉叠加，最终形成一束与单通道输出几乎无异的高质量相干光束。德国耶拿大学Limpert团队于2020年搭建了12路大模场光纤空间相干合束（CBC）系统，最终获得脉宽为254 fs、重复频率为80 MHz、平均功率为10.4 kW的飞秒脉冲输出，凭借填充孔径方案刷新了当时飞秒激光的平均功率纪录。同年，法国巴黎理工大学的Chanteloup团队采用平铺孔径结构实现了61路CBC，如图1所示，获得了平均功率约为1 kW、重复频率为2 MHz、脉宽为257 fs的脉冲输出，对应单脉冲能量约为500 μJ，这是超多通道相干合束技术的重要突破。国内在该领域也取得了显著进展。物理研究所、华中科技大学、国防科技大学等团队在2到16通道的合束实验中，实现了超700 W的平均功率。

图1 法国巴黎理工大学61路平铺孔径相干合成实验装置图

       时间堆积：类似在时间轴上精准排队，通过延迟线或腔结构等方式将多个子脉冲错时排列、精准重叠，最终叠加成一个高能脉冲包。这要求每个子脉冲的时间、强度和相位控制得极其精准，误差必须比光波还小。美国密歇根大学在这方面走在前列，实现了81个脉冲堆积，输出达25 mJ，如图2所示。北京大学团队则较早开展了相关实验，在国内实现256个脉冲的堆积，为大通道数系统设计提供了先导性验证。

图2 美国密歇根大学与LBNL 4路空间合成、81个脉冲时域堆积实验装置图

       时空合成：空间+时间的“双管齐下"。将空间合束和时间堆积结合，就像在多个舞台上排练不同乐章，最终在同一个乐谱下同步演奏，形成一场能量与节奏高度统一的光脉冲交响乐。2023年，德国耶拿大学完成了一次典型示范（图3），16路空间合束×8个时间脉冲，输出32 mJ、20 kHz、158 fs的飞秒激光，刷新了多个维度记录。

图3 德国耶拿大学16路空间合成、8个脉冲时域堆积实验装置图

       除了相干合成，激光技术的“进化赛道"上还涌现出一系列探索性或混合型的创新思路。如光学参量啁啾放大（OPCPA）技术，凭借超宽带宽和少周期脉冲压缩能力，在生成极短脉冲方面具有天然优势；而碟片激光器则以其高效率和优良散热结构，在提升平均功率上表现突出。不过，这两条路线也各有短板：OPCPA系统对泵浦光源要求，难以平衡高重复频率与系统稳定性；碟片激光目前则受限于增益带宽，压缩到超短脉宽存在难度，且在保持光束质量和脉冲能量的同时面临系统复杂性挑战。放眼未来，这几条技术路径可能不会是彼此竞争的对立面，而是互为补充、协同融合，共同支撑新一代超快激光平台的构建。

       如今的飞秒激光早已不只是“一束光"，而演变为一个高度复杂的超快光学系统。在时空相干合成中，控制每个通道的激光强度、相位、时间对齐都需要精准。就像指挥一个多声部交响乐团，每个“演奏员"都得跟上节奏、合好拍。要让这样一个“多声部乐团"协调运作，离不开背后日益强大的电子控制系统。高带宽的相位调制器、高速的电光器件、AI驱动的实时反馈算法……这些看不见的电路，才是让光脉冲“听话"的幕后英雄。

       展望未来，数十乃至上百通道的空间合束、数百个脉冲的时域堆积，以及频谱维度的协同合成，正飞秒激光从“架构构想"走向可实现的“系统能力"。通过多维协同控制，有望突破传统单通道放大的瓶颈，全面释放光场的系统潜力。如果说CPA技术曾开启飞秒激光迈入PW级峰值功率时代，推动其进入场物理的应用阶段，那么今天的时空相干合成，则正在飞秒激光迈向“系统化架构"阶段。正如封面图所示，可扩展的脉冲数在时间和空间中协同演化，最终汇聚为一束高能量的光脉冲塔。它不仅是光的叠加，更展现出飞秒激光通过多通道协同迈向高能、高频、高稳定的新路径。

参考文献： 中国光学期刊网

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