【资讯】康奈尔大学：稀土掺杂光纤中的部分抛物线放大——非线性放大机制“新地图”

2026-10-13 18:01:01

高峰值功率的超短脉冲光纤激光器结构紧凑、稳定性高，在精密材料加工、非线性成像和光谱学等领域具有重要价值。传统啁啾脉冲放大能够提高能量，但增益窄化会压缩光谱带宽，使脉冲难以直接缩短到百飞秒以下，且额外的非线性后压缩虽然可以继续缩短脉冲，却会增加系统复杂度和损耗；另一条路线是利用光纤本身的非线性，在放大的同时拓宽光谱。然而，已有的自相似放大、自相位调制放大、增益管理非线性放大等方法形成于不同条件下，彼此关系并不清晰，也难以直接判断哪种机制最适合继续提升峰值功率。该研究旨在解答以下两个问题：一是能否用统一框架理解主要的非线性放大机制？二是是否存在一种此前被忽略的放大方式，可以进一步实现峰值功率提升。

康奈尔大学应用与工程物理学院的研究团队以种子脉冲宽度为主线，对每一种脉宽同时优化泵浦水平、种子能量和光栅压缩器参数，在保证压缩后脉冲质量的前提下寻找最大峰值功率。研究首先采用与频率无关的理想增益模型，以便把增益光谱的影响暂时剥离，清楚区分自相似放大、自相位调制放大和传统啁啾脉冲放大。系统扫描揭示了一个位于自相似放大与自相位调制放大之间的新区间——部分抛物线放大（Partial Parabolic Amplification，PPA）。在这一过程中，并非整个脉冲都会演化成抛物线形状，而是只有高功率的中心部分发生抛物线整形。这样的“部分整形”已经足以产生近似线性的啁啾，使脉冲能够被标准光栅对有效压缩；与此同时，较长的种子脉冲可以储存并提取更多能量。该团队进一步加入真实的掺镱光纤增益光谱后，发现增益不仅提供能量，还会不对称地塑造脉冲前后沿，并帮助补偿压缩器的三阶色散。这一机制被命名为增益管理部分抛物线放大（Gain-Managed PPA，GMPPA）。

为了验证仿真预测，该团队的研究人员在一段0.7 m长、纤芯直径25 μm的保偏掺镱光纤中，获得了能量2.2 μJ、脉宽50 fs、斯特列尔比0.77的超短脉冲，对应峰值功率达到30 MW，首次验证了GMPPA产生超高峰值功率脉冲的效果。相关研究成果以“Partial parabolic amplification in rare-earth-doped optical fiber”为题发表于Photonics Research 2026年第8期。

图1 增益管理部分抛物线放大的实验装置及结果。(a) 实验装置：20 nJ、1060 nm种子脉冲经负啁啾展宽至2 ps后，在0.7 m长、25 μm纤芯的掺镱光纤中放大至2.2 μJ；(b) 数值模拟的输出光谱随脉冲能量的演化；(c) 实验测得的对应输出光谱，其中A表示光谱不对称参数；(d) 2.2 μJ脉冲的频率分辨光门控测量与重构结果，压缩脉宽为50 fs；(e) 数值模拟的压缩脉冲，脉宽为45 fs

相较于其他非线性放大机制，GMPPA不仅实现了最高的峰值功率，而且对光纤长度和放大器结构的要求较低，系统更紧凑。更重要的是，该工作建立了一张统一的“非线性放大机制地图”：短种子脉冲更适合自相似放大；中等脉宽进入PPA/GMPPA并获得最高的非线性放大峰值功率；更长脉冲由自相位调制放大主导；当脉冲展宽到足够长时则进入传统CPA。该机制有望填补紧凑型非线性光纤放大器与复杂高能CPA系统之间的性能空白。研究人员分析表明，采用更大模场的增益光纤和更强的种子源后，脉冲能量有望超过10 μJ，约50 fs脉冲的峰值功率可进一步逼近200 MW，从而服务于高精度材料加工、非线性光谱和多光子生物成像等应用。

图2 掺镱光纤中不同种子波长下的最优非线性放大机制地图。(a) 1030 nm种子位于窄带增益区：短脉冲进入增益管理非线性放大（GMNA），较长脉冲转入自相位调制放大（SPMA）或传统啁啾脉冲放大（CPA）；(b) 1060 nm种子位于较平坦增益区：短脉冲进入增益管理自相似放大（GMSSA），中等脉宽进入GMPPA，随后转入SPMA或CPA；蓝线和红线分别表示压缩后的峰值功率和脉宽，插图给出代表性的时域和频域形状

Frank Wise教授表示：“这项工作说明，光纤放大器的增益光谱并不只是限制因素，它也可以成为脉冲整形机制的一部分。通过发现部分抛物线放大，并将其放入统一的非线性放大机制图景中，我们现在拥有了更清晰的设计路线，可以在显著提高脉冲能量的同时产生50 fs脉冲。目前的结果仅为仿真验证，但将其在大模场增益光纤中进一步放大，是完全现实可行的。”

团队后续计划提高种子脉冲能量，并在更大模场的增益光纤中验证GMPPA，包括光子晶体棒状放大器，目标是实现超过10 μJ的脉冲能量和接近200 MW的峰值功率。团队还将研究反向泵浦、圆偏振种子、双程放大和光纤再生放大等结构，以缓解种子能量不足和放大自发辐射的限制。此外，研究将扩展到掺铒、掺钕和掺铥光纤，检验增益管理思想在不同波段和放大平台上的普适性，并进一步确定自聚焦、拉曼散射、偏振耦合及压缩器色散所设定的最终性能边界。

参考文献： 中国光学期刊网

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