光整形：数字激光器的出现

定制光分布以匹配特定的实验或工业需求，是一项与光学工程一样古老的任务。然而，直到1960年激光的发明，人类才能开始利用相干光来实现这一目标。

虽然第一台光纤激光器在不久之后推出，但直到1980年代后期才出现在市场上。这与啁啾脉冲放大（CPA）技术的引入是同时发生的，CPA技术允许通过随时间拉伸功率分布来放大超短脉冲。为了进一步扩大峰值和平均功率，最近业界演示了相干合束（CBC）的概念。它依赖于在最终相干叠加之前，在整个放大过程中将功率分配到几个光束。

XCAN是由巴黎综合理工学院和法国Thales公司联合开发的一种CBC飞秒光纤激光器。它基于在高峰值和平均功率（100GW/1kW）状态下运行的61路平铺通道。每个通道都被视为近场单像素，其中幅度和相位可以独立寻址。

凭借其高度可扩展的平铺孔径架构，该原型可以引领全数字激光器的新时代，具有在各种功率范围内进行光整形的潜力。

用于优化材料加工的专用光分布控制，是一项重要的工业需求，具有非常不同和特殊的整形要求。尽管XCAN架构方法可以生成任意形状的光分布，但实验重点是轨道角动量（OAM）激光束产生。这样的光束带有螺旋相前，因此XCAN的六边形平铺分布看起来完美适合这种相对称产生。此外，OAM光束具有广泛的应用——从光学操纵、量子光学和成像（如在天文学或流体流动表征中）到光通信和密码学。考虑需要更高功率的应用也很重要，包括减少自由电子激光器装置中的微聚束不稳定性，或超强激光束的传播（用于引导雷击或探测大气污染物）。

产生OAM光束的传统方法，通常依赖于激光腔调谐、相位板、锥透镜和空间光调制器（SLM）。激光腔调谐和相位板允许高输出功率运行，但缺乏可调谐性，因为不同的腔设计或光学元件，必须为每个特定的横向光束分布而设计。SLM提供高可调谐性，但输出功率（峰值和平均值）受到光学损伤阈值的限制。XCAN数字激光器提供了一种替代的、更通用的方法，提供高吞吐功率、可调谐性和OAM光束的实时产生。在XCAN的平铺孔径配置中，61路光纤放大激光束，以平面六边形阵列排列方式并排分布在近场中，并尽可能地彼此靠近（见图1）。图1a还显示了用于同时准直光束的六边形小透镜。

图1：XCAN的61路Yb掺杂光纤放大器束（a）及其近场干涉图（b）。

当使用单个镜头聚焦这个复合大光瞳时，CBC很容易实现。在该透镜焦平面上观察到的电场横向分布，是所有61路平铺光束精确相干相加的结果。与填充孔径相比，平铺孔径CBC的效率本质上受限于集中到远场主瓣的功率（理论上为 67%）。然而，它在远场光束整形方面提供无与伦比的灵活性。对于所有近场子光瞳相互叠加的全孔径CBC激光系统而言，这一关键特性是无法实现的。

在集成激光器时做出技术选择，是要保持其高可扩展性的潜力。在最终功率光纤放大器级尤其如此，其中由Optical Engines公司设计的灵活光纤解决方案（基于NKT Photonics光纤）已受到青睐，因为它们提供紧凑性、低成本和可扩展性。预放级依赖于Keopsys光纤放大器。通过可变光学延迟线和由Idil Fibers Optiques公司封装在一起的压电机械光纤拉伸器的组合使用，每路单独光束的相位是实时（千赫兹）控制的。通过主动相位控制和随机平行梯度下降算法，使用集体干涉测量方法执行相位稳定。此设置生成一组自定义的相位。每个光束幅度（即功率）可以通过放大器增益控制进行调整。图1b给出了61路光纤的近场干涉图，展示了数字激光器的概念。

通过生成在XCAN 61像素上数字化的OAM螺旋光束相位，可以获得特征性的“甜甜圈形”远场横向分布（见图2a）。在产生OAM光束的同时，激光器设置已在亚皮秒和千瓦平均功率范围内运行。

图2：由XCAN（a）和XCAN的激光头（b）产生的甜甜圈形远场。

XCAN的高度可扩展架构，很快就会被视为新激光架构范式的出现：数字激光。这种方法具有很大的潜力，可以大大拓宽结构光的应用领域，超越OAM中心对称光束。得益于其二极管泵浦、掺镱（Yb）光纤放大链架构，它确实关联了高峰值（飞秒区域运行）和高平均（千瓦级）功率。它本质上是紧凑和可扩展的，被设计和实施为与多达10,000个通道兼容，为高分辨率横向幅度和相位激光束控制铺平了道路。

这些光束特性的实时可调性（目前最高可达千赫兹范围），为需要动态能量或功率分布控制的应用（如材料的钻孔、切割或焊接）提供了额外的自由度。

来源：ACT激光世界