隨著科技的進步，飛秒激光在工業加工領域，科學研究，生物醫學等領域應用越來越廣泛。而與傳統的固體激光器相比，光纖作為增益介質，有散熱性能好，環境穩定性高，光束質量好，輸出靈活等優勢。光纖器件的集成化程度高也有利于工業大規模應用，因此光纖飛秒激光器也得到了越來越廣泛的關注。

鎖模振蕩腔通常可以得到pJ-nJ級別能量的飛秒脈沖，如果直接對脈沖進行放大，高峰值功率引入的強烈的非線性效應會導致脈沖畸變，甚至可能對光纖造成損傷。為此為了獲得高能量高質量的飛秒脈沖，人們提出了多種光纖飛秒放大技術，諸如啁啾脈沖放大（CPA）技術，非線性放大技術等等。

CPA技術最早由法國物理學家Mourou和加拿大物理學家Strickland共同發明，也讓他們榮獲了2018年的諾貝爾物理學獎。

它的基本原理是：先在時域上展寬飛秒脈沖通常到皮秒甚至納秒量級，來降低脈沖的峰值功率；然后再對展寬后的脈沖進行放大，這樣在放大到同樣峰值功率時，由于脈寬的展寬，能得到的單脈沖能量就更大，最后時域壓縮脈沖，就可以獲得更高峰值功率的脈沖。

但是脈沖在微米量級的光纖纖芯中傳輸，不可避免的會受到非線性效應的影響。非線性效應主要包括自相位調制（SPM），自陡峭，受激拉曼散射以及自聚焦等。

光纖的非線性系數可以描述為

ω₀為中心角頻率，Aeff為有效模場面積，n2為光纖的非線性折射率系數，c為光速。

在脈沖放大過程SPM最先出現，對于大部分脈沖來說，SPM效應會帶來無法補償的非線性相移，最終導致去啁啾后脈沖出現基底。為了定量的描述整個系統引入的非線性系數，引入了參量B積分，定義為

公式中，L為傳輸距離，I為光強。

B積分描述了脈沖在整個系統中的SPM效應積累的非線性相移量。當B積分小于π時，一般認為非線性相移可以忽略，大于π時，非線性效應導致的脈沖質量的降低一般不能忽略。

為了減小放大系統里非線性相移，一種途徑是把脈沖展的更寬降低峰值功率，一種是增加光纖的模場面積。

B積分描述了脈沖在整個系統中的SPM效應積累的非線性相移量。當B積分小于π時，一般認為非線性相移可以忽略，大于π時，非線性效應導致的脈沖質量的降低一般不能忽略。

為了減小放大系統里非線性相移，一種途徑是把脈沖展的更寬降低峰值功率，一種是增加光纖的模場面積。

傳統的CPA技術使用光柵對-光柵對，光纖-光柵對，作為展寬器和壓縮器。近些年展寬器出現了啁啾光纖光柵，啁啾體布拉格光柵，壓縮器出現了啁啾體布拉格光柵和空心光子帶隙光纖等。

各類展寬器和壓縮器都有自己的優點和缺點。光柵對作為展寬器會引入空間結構，不利于全光纖集成，并且體積大。光纖和光柵對的三階色散無法匹配。

空芯光子帶隙光纖，可以利用其波導色散代替傳統的壓縮器實現真正的全光纖結構，但是光纖長度很難精確控制，和普通光纖的熔接也是一個問題。目前啁啾體布拉格光柵最多只能展寬/壓縮500ps的脈沖寬度。

目前最常用的結構是啁啾光纖光柵作為展寬器，啁啾體布拉格光柵或者光柵對作為壓縮器。但是正如上段所述目前啁啾體布拉格光柵最多只能展寬/壓縮500ps的脈沖寬度，光柵對的尺寸和整體壓縮光路的尺寸會隨色散量的增加越來越龐大。這些都限制了脈沖展寬量。

展寬和壓縮的色散補償要精確，飛秒種子脈沖在展寬和放大后如果壓縮時色散補償不好，會導致脈沖變寬。啁啾光纖光柵可以通過溫度調諧和應力的方式精細管理色散，多用于飛秒激光器中，如Teraxion已經有成熟的商業產品。

而基于多光子脈沖內干涉相位掃描 (MIIPS)，再通過液晶調制器進行相位調制的技術，以及聲光可編程色散濾波器（AOPDF, Acousto-opto Programmable Dispersive Filter，或者更常見的名稱Dazzler）等，也可以對脈沖進行精細的色散管理。

SPM引入的TOD近似為：

Ф_SPM為SPM的峰值，ω為頻率，S(ω)為歸一化光譜強度，此時脈沖具有三次方的非線性相位延遲，所以這種脈沖被稱為立方子(cubicon)。

圖表4 L.Shah等人實驗光路圖

脈沖在光纖中的演化過程由自相位調制、 色散及增益共同決定。如果在種子光被放大前，預先引入一定量的負啁啾, 那么脈沖在放大過程中， 自相位調制和色散共同作用， 光譜會被更大程度地展寬，這種放大技術稱作預啁啾管理。非線性放大技術(PreＧChirp Managed Amplification, PCMA) 。可以通過計算最優的預啁啾量, 獲得最佳質量的壓縮脈沖。

圖表5 預啁啾管理實驗光路圖

當脈沖經歷非線性光譜展寬時，吸收和放大會主動重塑脈沖和增益譜本身。基于此，人們提出了增益管理非線性放大（Gain-Managed Nonlinear Amplifier）技術。

在Gain-Managed Nonlinear Amplifier放大系統中，非線性造成的光譜變寬被強大的、縱向演化的增益整形所平衡。與增益被認為是靜態的傳統的超快放大器相比，在GMN系統中，增益光譜的演變起著重要的作用。通常情況下，增益管理非線性放大器需要正色散和光譜增益曲線縱向演變的共同作用。在Pavel Sidorenko和Frank Wise 2020年的一篇文章中，他們利用增益管理放大技術獲得了1μJ，小于40fs的脈沖。

參考文獻
1.Brown, A. J. W., et al. (2006). Ultrafast high energy amplifiers beyond the B-integral limit. Fiber Lasers III: Technology, Systems, and Applications.
2.Fermann, M. E., et al. (2000). "Self-similar propagation and amplification of parabolic pulses in optical fibers." Phys Rev Lett 84(26 Pt 1): 6010-6013.
3.Finot, C., et al. (2007). "Parabolic pulse generation through passive nonlinear pulse reshaping in a normally dispersive two segment fiber device." Opt Express 15(3): 852-864.
4.Zhang, Y., et al. (2021). "Double-pass pre-chirp managed amplification with high gain and high average power." Opt Lett 46(13): 3115-3118.
5.Sidorenko, P. and F. Wise (2020). "Generation of 1J and 40fs pulses from a large mode area gain-managed nonlinear amplifier." Optics Letters 45(14): 4084-4087.